Твердохлебова С.В.

Днепропетровский национальный университет имени Олеся Гончара, г.Днепропетровск

УПРОЧНЕНИЕ БОРСОДЕРЖАЩИХ СПЛАВОВ ПУТЕМ ПЛАЗМЕННОЙ ДЕФОРМАЦИИ

Борсодержащие сплавы отличаются не только твердостью, но и значительной химической неоднородностью, которая обусловливает снижение механических свойств из-за их способности к трещиностойкости. Одним из традиционных способов упрочнения материалов является термообработка. Однако современные традиционные технологии все-таки не обеспечивают тот уровень свойств, который регламентируют требования современной техники и технологии [1]. Одним из наиболее перспективных методов получения материалов с особыми свойствами являются методы закалки из жидкого состояния [2]. Базирующиеся на этих методах технологии позволяют в экстремально неравновесных условиях затвердевания реализовать особые структурные и фазовые состояния, обеспечивающие таким быстро закаленным сплавам уникальное сочетание прочностных, электрических и других характеристик, недостижимое при использовании традиционных металлургических технологий. В связи с этим представляет интерес нахождение резерва повышения эксплуатационного ресурса борсодержащих сплавов путем плазменной деформации их поверхности. Объектами исследования служили борсодержащие сплавы. Для плазменной деформации их поверхности привлекали высоковольтный конденсированный искровой разряд (ВКИ) с длительностью импульсов 0,44 мкс. Оценку эксплуатационных свойств материалов проводили по относительной абразивной износостойкости e. Ее определяли по эмпирической модели e = f (F) (где F- параметр химической неоднородности), которая адекватна результатам прямого эксперимента [3].

В силу кратковременности импульса при снижении температуры жидкой фазы начинается ее вторичная кристаллизация. Проведенные микроструктурные исследования поверхности, прошедшей плазменную дедеформацию, показывают (рис.1), что в процессе вторичной кристаллизации на месте старых аустенитных зерен выделяются вторичные мелкодисперсные карбобориды элементов, в частности карбобориды железа (светлые зерна) (рис.1,б)..

а)

б)

Рис.1. Микроструктура борсодержащих сплавов с эвтектической (а) и доэвтектической (б) структурой после плазменной деформации. х 2000

Более того, на старых границах аустенитных зерен образуются “валики” из вторичных карбоборидов легирующих элементов. После чего на месте старых аустенитных зерен кристаллизуется аустенит-мартенсит. При этом эвтектика также превращается в мелкодисперсную (рис.1,а). На рис.1,а слева показана исходная эвтектическая структура. Причем, дендриты коагулированы (рис.1,а) под термическим воздействием. Размытая полоса – стадия вторичной кристаллизации. И, наконец, справа (рис.1,а) сформировавшаяся после вторичной кристаллизации мелкодисперсная эвтектика. Таким образом, в пределах старых крупных зерен формируется сетка новых границ, разделяющих выделенные вторичные карбобориды элементов. Полученная структура напоминает структуру антифрикционных сплавов (рис.1), для которых характерна высокая износостойкость. В результате сопряжения жидкой и твердой фаз в системе появляются периодические колебания массовой доли элементов. Причем, в процессе структурообразования амплитуда колебаний уменьшается и при завершении процесса формирования структуры колебания прекращаются. Периодические колебания свидетельствуют об образовании диссипативных структур. Формирование новых вторичных структур подтверждено [4] результатами спектрального, рентгеноструктурного анализа и данными молекулярной спектроскопии. поверхности. Диффузность дифракционных линий остаточного аустенита на больших углах отражения свидетельствует о дисперсности структуры, которая достигает 15 нм в исследуемом режиме. Ввиду быстрого охлаждения, составляющего по нашим расчетам 10⁷ К/с в единичном разряде, при “точечной” закалке кристаллы карбоборидов не успевают заметно вырасти. Отсюда следует, что высокая скорость охлаждения поверхности способствует

формированию нанокристаллической структуры на дне кратера после воздействия разряда. Выделение нанокристаллических структур приводит к упрочнению поверхности борсодержащих сплавов. В таблице 1 показаны значения относительной абразивной износостойкости в исходных (е₁) и прошедших плазменную деформацию (е₂) образцах борсодержащих сплавов.

Таблица 1

Значения относительной абразивной износостойкости в исходных (е₁) и прошедших плазменную деформацию (е₂) образцах борсодержащих сплавов

Система сплава	Fe-B-C	Fe-B-C-Cr	Наплавка
е1	1,4	1,8	2,6
е2	3,3	3,5	3,6

Данные таблицы 1 убедительно свидетельствуют, что относительная абразивная износостойкость сплавов, прошедших плазменную деформацию, возрастает в 1,4 – 2,3 раза по сравнению с исходными. Вместе с тем из таблицы видно, что значения относительной абразивной износостойкости в сплавах разных систем выравниваются, благодаря равномерному распределению легирующих элементов во вторично закристаллизованном объеме. Вышеприведенные результаты позволяют считать, что плазменная деформация поверхности борсодержащих сплавов может быть описана моделью деформационного старения метастабильных гетероструктур.

Таким образом, установлено, что в условиях плазменной деформации поверхности борсодержащих сплавов работает модель деформационного старения метастабильныых гетероструктур. При этом относительная абразивная износостойкость деформированной поверхности сплавов возрастает в 1,4-2,3 раза по сравнению с исходной. Следовательно, плазменную деформацию поверхности борсодержащих сплавов можно рассматривать как резерв повышения эксплуатационных свойств исследуемых материалов.

Литература:

1. Ю.В.Ефимов, Г. Верлимонт, Г.Г.Мухин и другие. Метастабильные и неравновесные сплавы. М.: “Наука”. 1988. 383 с.

2. И.С.Мирошниченко. Закалка из жидкого состояния. М.: “Металлургия”. 1982. 167 с.

3. S.V.Tverdokhlebova. Peculiarities of behavior of macroheterogeneous parameter of elements heterogeneous alloys and new technologies in atomic emission spectroscopy || J. of the Institute of Science and Technology of Palic Efir University (Turkey). 2003, № 1, P. 186-191.

4. S. Tverdohklebova. Modification of boron-containing alloys surface in conditions of ionic bombardment. || Proceedings of International Scientific Conference Physical and Chemical Principles of Formation and Modification of Micro- and Nanostructures. Kharkiv. : “SCPT of MES and NAS of Ukraine”, 2009, v. 2, p. 426-430.