Технические науки / 1. Металлургия

Ващук Е.С., к.т.н. Ионина А.В., д.т.н. Будовских Е.А.,

д.ф.-м.н. Громов В.Е.

Сибирский государственный индустриальный университет, Россия

Структура поверхности стали 45

после электровзрывного боромеднения

и последующей электронно-пучковой обработки

В последние годы получил развитие новый метод поверхностного упрочнения металлов и сплавов, включающий электровзрывное легирование (ЭВЛ) металлов и сплавов и последующую электронно-пучковую обработку (ЭПО) [1, 2]. Основным достоинством этого способа является возможность осуществления поверхностного легирования, при котором резко сокращается расход легирующих элементов, а эффект повышения свойств поверхности оказывается значительным. Это дает основание для дальнейших разработок в этой области. Целью данной работы явилось исследование структуры поверхности стали 45 после электровзрывного боромеднения и последующей электронно-пучковой обработки.

Обработке подвергали образцы стали 45 в отожженном состоянии цилиндрической формы диаметром 20 мм и высотой 5 мм. Технологические особенности ЭВЛ рассмотрены в работе [3]. ЭВЛ проводили в режиме, который обеспечивал поглощаемую плотность мощности q_p, равную 8,6 ГВт/м². Взрываемая медная фольга имела толщину 20 мкм и массу 35 мг. В области взрыва размещали порошок аморфного бора массой 20 мг. При этом отношение атомных концентраций бора и меди в струе составляло 3,5. Последующую ЭПО поверхности легирования осуществляли на установке «Соло» Института сильноточной электроники СО РАН при следующих основных параметрах облучения: поглощаемая плотность мощности пучка электронов q_e =2,0, 2,5 и 3,0 ГВт/м², длительность импульсов t = 100 и 200 мкс; частота их следования f = 0,3 Гц; число импульсов N = 5 и 10. Обработку осуществляли в среде аргона при давлении 0,02 Па. Структуру поверхности после ЭПО изучали с помощью сканирующего электронного микроскопа Carl Zeiss EVO50. ЭВЛ приводило к образованию на поверхности зоны легирования и тонкого слоя покрытия на ней, образованного частицами капельной фракции продуктов взрыва и их взаимодействия с порошком бора из тыла струи.

Сканирующая электронная микроскопия поверхности после электровзрывного боромеднения показала, что ЭПО сопровождается повсеместным ее плавлением. Высокоскоростная кристаллизация расплава приводит к формированию дендритной структуры с осями первого и второго порядка на поверхности (структура ячеистой кристаллизации). На поверхности облучения образца формируются микротрещины, делящие поверхность на фрагменты величиной от 100 до 200 мкм. Фрагменты увеличиваются с увеличением количества импульсов ЭПО. Однако, величина раскрытия микротрещин увеличивается и тем самым увеличивается глубина микротрещин. Ранее это было описано в работах [1, 2], согласно которым это обусловлено снижением скорости охлаждения поверхности облучения при увеличении количества импульсов. Трещины преимущественно образуются вдоль границ зерен, также имеется транскристаллитное разрушение.

Обращает на себя внимание, что в близко расположенных друг от друга областях, дендриты имеют различные направления роста и разные значения междендритного параметра. Увеличение q_е сопровождается ростом средних значений расстояний между ветвями первого порядка: они составляют 0,50, 0,66 и 1,00 мкм при t = 100 мкс, N = 10 имп. и q_е, равных 2,0, 2,5 и 3,0 ГВт/м², соответственно. Этому можно дать следующую интерпритацию. Скорость охлаждения можно оценить по формуле , где – дендритный параметр, мкм, n и A – постоянные коэффициенты. С использованием значений = 2,3×10² , = 0,45, характерных для сталей, для получаются следующие значения: 1,6∙10⁵, 0,9∙10⁵ и 0,4∙10⁵ К/с соответственно. Они согласуются с известными данными, согласно которым параметры дендритной структуры определяется скоростью охлаждения расплава и оси второго порядка не образуются уже при скорости охлаждения, превышающей ~10⁶ К/с. Сопоставляя их, можно отметить что при увеличении q_е наблюдается снижение . Однако, с другой стороны, при увеличении q_е увеличивается градиент температуры по глубине, и ,следовательно, должна возрастать. Это противоречие можно объяснить тем, что, как известно, на параметры дендритов влияет не только скорость охлаждения, но и химический состав сплава. По-видимому, в данном случае значения междендритных параметров заметно отличающиеся в соседних областях обусловлены химической неоднородностью зоны легирования, которая возникает в результате растворения при ЭПО покрытия, формирующегося на поверхности сразу после ЭВЛ.

Можно отметить, что с увеличением q_е снижается количество и размеры островков капельной фракции. Это связано с тем что увеличение q_е сопровождается более значительным переплавом поверхности [1, 2].

Работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 гг. (гос. контракты №№ 14.740.11.0693)

Литература:

1. Легирование поверхности углеродистой стали медью путем электрического взрыва проводника и последующей электронно-пучковой обработки / Ю.Ф. Иванов, С.Ю. Филимонов и др. // Изв. Томского политех. ун-та. – 2011. – Т. 318. – № 2. – С. 101–105.

2. Структурно-фазовый анализ поверхностного слоя стали, подвергнутой электровзрывному легированию медью и последующей электронно-пучковой обработке / Ю.Ф. Иванов, С.Ю. Филимонов, Ю.A. Колубаева и др. // Изв. Томск. политехн. ун-та. – 2011. – Т. 318. – № 2. – С. 106–109.

3. Физические основы электровзрывного легирования металлов и сплавов / А.Я. Багаутдинов, Е.А. Будовских, Ю.Ф. Иванов, В.Е. Громов. – Новокузнецк: Изд-во СибГИУ, 2007. – 301 с.