автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Структура и механические свойства поверхности металлов и сплавов, обработанных ионными пучками

ЛИПЕЦКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

УДК 669- 539- 2

ЦЫГАНОВ Игорь Анатольевич

СТРУКТУРА И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ, ОБРАБОТАННЫХ ИОННЫМИ ПУЧКАМИ

Специальность 05. 16- 01 — «Металловедение и

термическая обработка металлов»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Липецк — 1993

Работа выполнена на кафедре . физического нетаяловедениа Липецкого политехнического института.

НЙЯ'ШНЙ РЗШОДИТЕЯЬ

доктор технических наук, профессор И.И.1ариаков

0ФИРА№11«£ ОППОНЕНТ«

доктир физико-матеиатмчее-кик наук, профессор И.Г.Исаков.

кандидат Технических наци, доцент И.Н.Крутских

ВЕДУЩОЙ ОРГАНИЗАЦИЯ

Всерос.сиЛский электротехнический инститцт,

г. MOCKBÍI •

Защита состоится 18декабраШЗг. в 13 час. в айд. 0-240 на заседании : специализированного совета К 084.22.0? ярк Липецкой политехническом институте.

Ваш стзнвм, эадерейнше печать». просии направлять на иия ученого секретаря специализированного совета по адресу: ЗЭ8055. Г, Липецк, уд. Косковскаа. 30. ,

С диссертацией можно оэнакомнтьс« в библиотеке Липецкого политехнического *нститвта> ■ '

йвторефарат разослан 1913 г.

9чечи*'секретарь спецнапиз»уоватигосовста

fi.fi.Карих

«BíftS ХАРАКТЕРИСТИКА P (I 5 i) T H

АКТУАЛЬНОСТЬ TF.K4.

Модифицироианис поверхности истаял«« i: применением иоиннх нцчкоп, интенсивно развипавчпося п Последние годы, ямляптся одной ил наиболее нерснективннх ойдастей мат^риалоисдсник.

Ионная имплантация (ПК) яиляетпй унипэргллмшм истодом ппя-Хсния и материалы лвАих легирцв^их ялоиситлп я строго контролируем ом количестве, чтп открывает вирокип плзмоаиости фсркировлнии ипвнх структурных состояний металлических г.кстем в сочетании с нитки А нлптиостьо дефектом, уникально пмсоким пересыщением тиср-дых (мгтпирпп и oripa:ui»ai!Hi4» мелкодисперсных выделений иторичних «раз. П гноя очередь, микроструктурнкс и фатопые прспрацепия педут к сучестппшоиу измоклшю эксплуатационных характеристик материалов, таких как тнярдость, иянпсистийког.т!. и др. Яоздейстпиг ионных пучков ил йсцестпо требует вйрокогп рлзпктма зкеперимеиталь-ннх исследований, направленных ил издчеиие пмимодействиз ишши-ткруемнх ионо» с . пброАатыпагмым материалом, д^ тлив яп>ичый, приподдих к изменении сипйстп поверхности, Анализ лчтерлтурнкх дапнкх ппклгшиает, что » настоящее аремч у iiiic в страна и эа pyfintoM псдцтс» нптенсишше поиск« услопий и параметров ИИ различных члечеьтлп п металлические материалы г цельв новимсния эксплуатационных хлрактеристик их припопсрхипстинх слоен.

Однако, К НЛГТПВДЛМН премени природа процесс«!», протеклецих как во много . 'так и и еднокомшшгнтиых материалах и механизмы упрочнения остается мало изученными, оптимальные технологические рехимы, снпсо^стлувцис удцчхенип механических спойсто, прогнозируется плохо. Параметры модифицированной структур» в» взаимосвязи г.рс«и*аии W, я такяе овлпетй ксполмопачиз процесса в технологических целях не опредслени, 8 этой связи, актуальной задачей, имевшей как теоретчческув, так я практическая ценность, является комплексное изучение структурно фазового состояния модифицируемого путем Ий приповерхностного слоя, цгтанокление заиотьериостей изменения. механических снпйст» материалов ири различных рлриантах ионной обработки, а такхп создание на этой основе технологий упрочнения металлически* изделий.,

Актуальность теин диссертации подтрер1дпется тем, что она снизана с пополнением нланпа раА'от но Республиканской научно-тся-

иичсской Программе "Пойме материалы и технологии" (иапрапление "Наукоемкие технологии") и Проблеме "Пбраостка консгрукционннк *<1Тсри,1Лон пучкам* заряхепния частии" Ь'яучпш о Монета ГК по паи1«? и технической политике 1'Ф й РАН.

ЦЕЗЬ РОКОТЫ - изучение шжекзйив формиронання структуры и изменения св йгтв металяоь в резул»татс обработки непрерывным пучками конов азота я иоцпычи иоинкми пучками углерода.

ЛГэГПГ ВШ10СВТ на ЗЩ1ТУ:

1. Результаты исследования структуры и свойств ириноверк-шютннх сяпэп металл он на фирритной основе, имилаитироваиных ионами аг.пта.

2. Закономерности изменения структура и своЛств хромо-садерк.цих стадий ЕХ!5, 3X1 и а12Ф1 и результате оОраоотки моп-нами ионными пучками углерода.

3. Результаты исследования износостойкости ионно-мидифициро-ванной чоиерхнзети валковой стали ХЗПКО-Р.

4. Технология модифичировамяя хэлодноянсадочиого инструмента из сталей Х12Ф1 и Р0Й5 с пимоцьп модных ионкых иучклв угягрода.

методы исспелозййия.

Ревсиие поставленных задач осучест клалось путей теоретического и экспериментального исследования.

В качестве исследуеимх материалов «пользовались армко-Ге. высокопрочный чугун с варовидиым графитом иа ферритной основе, ьрвмосодерлащие стали 1X15. 9X1. УЯЗКФ-К. Х12Ф1 и (шетроремукаа сталь РШ.

Исследования структурно-фазочого состава приводились истодами светопой микроскопии на микроскопе "Зникваит" и растровой электронной микроскопии на микроскоп« РЯИ-ЮО'.К Ректгеног.труатур-ный анализ поверхности осуцкгтпляпся на рвшгеновскьи дифракто-метре ДР0Н-2.0. Электриннозондовый микроанализ проводился на установке "Канебакс" тлпа ЙБ1 с электродной разперткой.

Для анализа шероховатости поверхности использовался профило-граф профьлпмегр злнода "Калибр" (модпяь 2С1).

Хикрот.н'рдосгь нодерхнистннх. слоев измерялась на приборе ПИТ-3 при нагрузках от 0.05 до 1 Н. Испытания износостойкойт» проводились нл чаяипс трения в углониях сухого трения ими /актированной. .1и>»(!|<хидсти оЧрчщэ. яс пи/:ку и.ч .закаленней стз

ли 'it) (liRCj'J?. 54). Кассовый износ обр;«зцов определялся на аналитических весах типа ЛЛВ-ЭДОИ.

Статистическая обработка экспериментальных ДШИШХ ВЬШОАНЯ -яась на персональном хомпьвтере IBM PC/AT.

шчиая новйзая.

1. Впервые ««явлено явление избирательной модификации зерен ц материале" на ¡герритней основе в результате имплантации непрерывными пучками ионпв азота с различной анергией, заключавшееся во влиянии кристаллографической ориентировки зерен и межзеранных границ на структурные изменения в поиэрхиостном слое.

*. Впервые раскрыти закономерности формирования структуры хромосодерха<их сталей 8X15,9X1 и Х12Ф1 з процессе обработки моц-ныни ионными пучками углерода, замлвчшциеся в протекании процессов терыо- и радиацнпкно-стиыулирооашшй диффузии, сопровомдаюци-еся образованней больиого количества дефентав, повывением легиро-ванности мартенсита н возрастанием количества остаточного аусте-нитд, сотпётствуЕций оклад в изменение механических

свойств.

fkmpnue предложено совместное использование модифицирование ыоцнкыи ипцными пучками углерода и носледувцей термической обработки для позыяения износостойкости холодновисадочного инструмента из сталей Х12Ф! и Р8У5.

практически цепкость и1шч1ш результатов.

1. Ренты ИИ, обуславливавшие повыиение микротаердости для чугуна ВЧ с наровидник графитом и износостойкости для валковой стали ХЭЙИФ-В.

2. Технология обработки мовныыи ионными пучками холодновисадочного инструмента из сталей Х12Ф1 и P6KS.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.

Основная результаты диссертации были доложены и обсуаденн на II Всесовзной конференции "Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц" (Свердловск, I99J г.),

СТРУКТЧРЙ И ОЕЪЕМ PftfiOTU.

Диссертация ссстоит из введения, четирех глав, приложения, основных выводов и библиографического списка. Объем диссертации составляет WZ страниц текста, ыишчая 23рисунков, <2габ*иц и библиографический список из 135Гнаименований.

ОСНОВНОЕ С0ДЕР1ВНИЕ PflGOTU

ВО ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность доссертаиионной работы. иэлокЁни основные направления, разрабатываемые в диссертации, сформировали цель и задачи исследования.

ИКРСПЯ ГЛАВА посвящена краткому литерстуриома обзору, в котором рассмотрены основные результаты теоретических и эксиерииен-тадышх исследований структуры и механических свойств железа и сплавов Чи его основе в результате обработки ионами азота и мок-ннуи ионными нучкеми углерода.

Все мзяёстиыс модели, описывавшие взаимодействие имплантируемых ионов г. иатериаллми, в ток чкеле развитые для чистых металлов (например, Fe и С«>, исходят из однородности обрабатываемого материала и не цчитиваат . гетерогенности его кристаллической структцры(разный размер зерен, т различная ориентировка и т.н.i. Кмди roa экспериментальное доказательство стрингерных изменений на различной глубин« от имплантированной поверхности яалается принципиальный для вчяснония природы т.н. эффекта дальнодействия при ИИ, '.«аклвчподтисы во влиянии шишуго модифицирования па поверхностный слой с тшцншй, .на насколько (2 поболее) порядков превымаюцев проективный прибег попов Rp.

К настояиему времени предланшш различные механизмы, объясняющие улучиенне механических свойств, в частности, микротвердости и износостойкости имплантированных материалов, с тон числе на глубинах, значительно нревишоцих проективный пробег ионов; -образование многофазной (в случае имплантации ионов азота - нитрид-ной) зоны с модифицируемом слое; -формирование при ИИ развитой дислокационной структуры; -перенос имплантированных ионов вглубь матрица в результате радиациолно-ускоршшой диффузия и др. Однако совокупности микропроцессов, приводяцих к . структурно-базовым превращения* и эволюции состааз при ионной ¿оибардировке, значительно слоанее учитываемыми отдельных моделях. В настоящее время не существует об<еЯ модем, ебменяяве» формирование при ионном легировании структурычсвойств поверхностного сяоа. Приводимые в литературе экспериментальные результат« зачастив носят противоречивый характер. Всвази с зтим, корреляция изменения микроструктур* и механических свойств имплантированных материалов выявляет-са в основном эмпирическим ацтек.

Одни» из перспективных методов обработки материалов с цельв пиамошм мм »иенлцатационних свойетвавляетса воздействие мощии-

ни ионными пучками (КИП) углерода. Однако да сих пор не проведено - систематических исследований стрдктщшо-фазового состояния и его влияния па механические свойства поверхностных слоев материалов, обработанных МИЛ. Последнее особенно относится к многокомпонентным гетерогенный системам, и, в частности, инструментальным хро-мосодерхацим сталям, которые каалк иирокое применение в промын-леиности. Постановка исследований,по изучений структурно-фазовых превращений в процессе ИИ н обработки 11111 сталей с различным со-дерааиием Сг, механизмов упрочнения, а таксе разработка технологии новияениа износостойкости холодновысадочного инструмента является вахной теоретической и практической проблемой. На основании данного анализа били поставлена задачи исследования.

- ВТОРАЯ ГЛОВА посвящена исследовании модификации структуры и свойств поверхности технического армко-Fe (99.92%) и высокопрочного чцгбиа с шаровидным графнтоа (3.732 С. 3.26Z Si. осталыте-Ке) в результате имплантации непрерывным пучками ионов азота с энергией 150 и 10 кэ& соответственно.

Процесс имплантации ионов азота с энергией 150 кэБ проводил- ся на высоковольтном конном технологическом ускорителе ВИТУС-0.7 с сепарацйей ионов, а с энергией¡10 кэВ - на ускорительном стенде, имитирущсм работа имплантера и генерирувцем пучки ионов без сепарации. При изучении процесса ионного модифицирования осуществлялось варьирование дозн имплантации Ф С®=10'7 ..2«10,в ион/с»1). Температура образцов в процессе обработки не поднималась выше !00°с.

Электронно-микроскопические исследования поперечных «лифов исследуемых материалов, подвергнутых ИИ, выявили суцептвенное изменение микроструктуры приповерхностных слоев. Внесшие выявлена явление избирательной модификации ферритных зерен, вырз*ав»еес9 в том, что изменение микроструктур« в результате имплантации ихва-тывает модифицированную зонд по глубине не равномерно, а и отдельных зернах по-разному, в зависимости от кристаллографической ориентировки зерен и меаэеренных границ. ,

Микроструктура apMKo-Fa,B исходном состоянии представлю собой зерна феррита с тонкими пленочными выделениями трггичиегь • цементита. В результате облучения происходит сильное искааение кристаллической структура, возрастание ее дефектности, о чем свидетельствует дробление выделений цеминтмта, изменение ощеренной структуры (происходит разбиение зерен нл блоки, сильное растрав-

- о -

лиианме границ фгрритичх черен и т.п.). Граница зерен, как правила, сдцшат барьером, -сдерживавши* миграции дефектов (вакансий, дислокаций, петель)и.распространение вглубь волни сжатия, вызываемой непосредственно тонким легироратшм сдоем. Микроструктура исходных образцов чугуна представляет собой ферритнцп матрицу с округлыми вклвчекиями свободного графита. В результате обработки на имплантированной поверхности чугуна в местах скопления дефектов после травления образуются ямки размером до I мкм. На глубине до 15 мкм наблсдаютса канавки, направленные вглубь матрицы пер-пендикуларно поверхности образца и заканчивавшиеся на границах ферритнах зерен, причем они не охватывает всей обработанной зоны, а происходит избирательная модификация зерен. Глубина модифицированного ионной обработкой слоя достигает для армко-Ре 50 мкм, хота проектианнй пробег ионов азота в железе при энергии 150 кзй не превквает 236 ни, а кяц чугуна - 15 мкм при проективном пробега ионов азота с энергией 10 кэВ ^е более 50 им.

При легировании армко-Уе ионам» азота с дозой &=2#10,в ион/см* в результате переендеция имплантированного слоя азотом имеет место деление блистеринга. Наблюдается большое количество вздутий (блистероэ) с находящихся внутри газообразным азотом и кратеров, в осноайом округлой формы. Размер блистеров не превивает 4-5 мкм. в матрицу они уходят «а глубину, составляли десятые доли микрона. Оценки показывает, что дздление газа в блистерах достигает предела текучести аеяеза.

Выявлено, что {»»ток конов при взаимодействии с материалом способствует «екоторомн распадение иикроиеровиЪстей. что. в свое очередь, улучмает «ерохвватост^ поверхности до йс=0.22-0.26 мкм по сравпскив с исходным полировании!» состоанйе*(|{о=0.30-0.32мкм>. Однако, при достилении доэи ®=?»10№ион/си1 и возникновении явления блкстерцнга вероховатость несколько увеличивается до Rei0.34-0.3s «к» из-за появления вздутий и кратерообразоваиия.

Структуру изменения в ооверхншном слое обрабатываемых материалов в результате ЯМ аза» во всех случаях оказывают упрочнявшее действие м, как сдедртви«, ведут к повышение микротвердос-тя. Цикротаердость аршсо-Ре, нзмереинаа при нагрузке 0.05 Н. при дозах 10** и 5*104* ион/си*' возрастает, соответственно в 1.3 и I.Я раза по сравнении с исходнам состоянием; но при возрастании дозц до 2*10й кон/си* кабявдавтея несколько меньшее увеличение макротвердости -в 1.6 раза из-за макроповревдений' в результате пвреемчоша ниплантированногдсдоа азотом. Длячугуна ВЧ такле

набладается тенденция увеличения микротвердости и 1.3 и 1.45 разе при возрастании доза имплантации, соответственно, от 10* до 5*10 ион/си*. Дальнейшее увеличение дозы ив ведет к увеличение микротвердости.

Таких образом, оптимальной дозой имплантации, обеспечипавией максимальное твячеиие микротверлости иселедузмкх материалов при различны* энергиях (10 и 159 кзй) ямявтяя Ф-5«10,? ион/сиг,

8 ТРЕТЬЕ* ГМВЕ исслсдуется влияние обработки 1Ш углерода с энергией 300 к»В пз структуру и свойства поверхности •хромоседер-1а*их сталей И15, 3X1 и Х12Ф1.

Обработка образцов КИП углерода с энергией к'-300 кзИ, длительность« импульса t-100 не и частотой следования импульсоь Г-1 Гц осуществлялась на ускорителе 'Теми*. При изучении; процесса ионного модифицирования варьировались следуощий параметри обработки КИП-: й'ЛотИссть тока .100 (1/смг, количество импульсов n-î..10.

Согласно теоретически« пцечка*, при воздействии ККП на материал реализуется сясдущая совокупность явлений; быстрей нагрев поверхности, ведущий к плавление тонкого поверхностного слоя; образование у поверхности епяаоа плроилззмепного облака; Формирование и распространение термпупругяй поймы пгаубь матрицы, сопровождавшееся возникновением и перераспределением дефектов; быстрое охлаадсние поверхностного слоя с фиксацией нерапшвесного термодинамического состояния и конденсация элементов пароплазменпого облака а виде покритня irá обрлботгиной поверхности.

. Дзнянс металлографического и рснтгсноструктурпаго анализа свидетельствует о то*. что обработка 1Ш с ляотпостьо тока 50 fl/см1 недостаточна для изменения структурио-фазогвого состояния рассматриваемых сталей, В поверхностном слое образцов происходит лиаь небояьвое возрастание количества остаточного аустенита по сравнении с исходным закаленным состоянием иэ-:нл перехода в твер дый раствор углерода и хрома и снижения в результате этого точки начала иартемситиого превращения. Микротвердость при указанной плотности тока снимается с возрастанием количества импульсов на 5-tOjí для сталей ïXt5 и 9X1 и на 10-152 для X12<M.

Структурно-Фазоине превращения интенсивно протекают, начиная с плотности тока j ВО lí/см*. Результаты металлографических исследований свидетельствует об образовании в нриноверхностиой области двух характерных зон. отличлщихг.я Друг от друга но структуре:

I - .зона с повымпнным содержание»! остаточного аустемта {полученная закалкой из.жидкого состояния): И - зона с ттошисншм мщер-«аниги мартенситной фазы (полученная закалкой из твердого состояния). Глубина зон I и И примерно одинакова и 'колеблется от 2-3 до 10 ним в пропорциональной ааоисииости от плотности тока и количества импульсов. '

Посквльту при обработке МИП происходит оплавление поверхностного слоя, то зто сказывается па существенном изменении перо-ховатости и приводит к "залечиванию* микродефектов поверхности. В исходном полированно* состоянии иероховатость у всех образцов составляла 1^0.32-0.31 мкм. В результате обработки ПИП шероховатость уменьшается до Ra~0.t6-0.22 мкм о зависимости от плотности тока,причем с увеличением ] шероховатость поверхности улучшается.

Идентификация полученной в результате обработки МИП структуры с помочы) рентгеноструктурного анализа (рис. 1) однозначно показывает, что с ростом количества импульсов, а, . следовательно, внедренной дозы и выделенной в поверхностном слое энергии наблюдаются следующие процесса: -увеличивается содсршание дефектов и происходит формирование ыимавяих остаточных напряжений (рентгеновские линии и для больмих. и для малых дифракционных углов умиряются; особенно это умиренив заметно, начиная с 3 импульсов); - возрастает количество остаточного аусгенита, максимальное со-дерхание которого наблюдается при 10 импульсах (максимальная интенсивность линий аустенита на дифрактограммлх): -наряду с образованием остаточного аустенита увеличивается легированность мартенсита из-за растворения в матрице при нагреве углерода и хрома из карбидов (о чем свидетельствует симметричное смещение всех ««ков мартенсита в сторону бояьвих углов па дифрактограммах. начиная с 3 импульсов). С увеличением плотности тока пучка непрерывно повивается количество дефектов кристаллической решетки в пригоперхностной области (на что указывает монотонное умирение дифракционных линий). Структурно-фаппмп прев рачения, происходящие в поверхностном слое при обработке ПИП на качественном уровне повпядэют дли всех исследуемых сталей. Но в силу больией ле-Iировлннасти стали Х1ПФ1 при максимальном количестве импульсов (пг.10) содержание . остаточного аустснита в' обработанной зоне стали преимяйет аналогичный показатель для сталей ЯХ1Я и 0X1.

- з -

ЯкфраотМта»*» стали 3X1

Рис. 1

Электроннозондовый микроанализ распределения Сг но глубине подтверждает вывод о перераспределении Сг мемду структурными составляющими (мартенсит. аустенит и карбиды) в локальных масштабах в результате обработки Ш углерода. Изменения содерлания Сг но глубине образцов не происходит,

Кикротпсрдость в результате обработки КИП у исследуемых материалов иеьяется неоднозначно (рис,2). Я сталей 1X15 » 9X1 с примерно одинаковым содерванием Сг наблвдается сниление микротвердости. причем пропорциональное количеству импульсов. Падение микротнердости при 10 импульсах составляет примерно 302 дли обеих сталей. Это уменьшение обусловлено образованием остаточного аде телята, вызванного снихшисм температуры начала »артенситного превращения вследствие растворения в матрице углерода, содерхаче-гппя в карбидах, в результате резкого нагрева и из-за внесения при обработке йоиоо углерода, такле давдкх свой вклад в атот процесс.

Мнкротвсрдестъ сталей после обработки ШШ (С*. Е=300 кэВ, 5=100 А/си2)

?. - 3X1. 3 - 5X15.

Риг,, 2

. и -

Однако для стали Х12Ф1 подобран оптимальный решим. при которой наблюдается повышенно иикротвердости на 107.: 1=100 й/см2, п-3, При обработке 3 импульсами НИЛ наряду с образованием остаточного аустеиита имеет место растворение хромистых карбидов и получение легированного мартенсита. При меньшем количестве импульсов получается «енее легированный мартенсит, а при больаем -происходит стабилизация аустеиита, что приводит к снименив микротвердости.

Таким образом, обработка сталей с невысоким садермаиием Сг Ш!5. 3X1) ведег к снижения микротвердости поверхности, а оптимальным режимом упрочнения внсокохромистой стали Х17.Ф1 (Сг) КИП углерода с анергией 300 изб авляется обработка с 1~М0 й/си2 при л=3.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГШЕ приведены результаты исследований механических свойств (микротвердости я износостойкости) образцов и:» стали Х9ВИФ-3 и холодновысадочного инструмента из сталей Х12Ф1 и Р6М5. подвергнутого имплантации непрерывными и импульсными пучками ионов азота, и обработке ОД1 углерода.

Интересное явление, которое не отмечена в литературе, наблп-далось при изучении ыикротвердости стали Х9ВИФ-В„ облученной нонаыи азота с энергией 300 кэВ. После имплантации азота дозами 5*10*® и ю'7 ион/см2 микротвердость поверхности стали (измеренная при минимальной нагрузке - 0.05 Я) снижается почти в ?. раза по сравнении с иеимплантировзяной поверхность®, а при увеличении до зы имплантации до г^Ю^иои/см2 микротвердость облучешшй поьерх носги практически не отличается ог исходной. Вогшиишм обгяснсни-ем этому аффекту "возврата твердости" слумит протекание при ИН двух процессов: -селективное распыление в основном более легких компонентов сплава, таких как углерод, хром, и ванадий, которые вносят основной вклад в упрочнение стали ХЭШ V, при .небольмих дозах (5« 10ш .ЛО*7 ион/см1) такое рленылеине ведет к снимепиа микротвердости; -размывание пика максимума концентрации иинланти-руемого азота по глуйине модифицируемого слоя, что, параду с отрастанием внедренной дозы имплантанта, ведет к увеличении ыикр'^ твердости до исходного уровня. .

- 12 -

Потеря массы дИ на различных стадиях испытаний на износ для стали Х9ВМФ-В в зависимости от числа оборотов N и дозы имплантации Ф (Н*. Е-300 кзВ)

Несмотря на снижение иикротЕердостн имплантация ионов азота с энергией 300 каВ приводит к увеличение износостойкости, "в качестве критерия которой использовалась величина, обратная патере массы при испытаниях. При дозе имплантации 5«10к ион/см2 различия в изнашивании исходного и имплантированного образцов практически не наблодаетс«. При возрастании дозы имплантации до,1017 ион/смг степень изнашивания несколько снижается, а при достижении дозы 2* И>'7 ион/см1 износ уменьмается в 2 раза, очен свидетельствует меньмкй угол наклона временной зависимости ыассоього износа (рис. 3). Снижение износа проявляется после удаления сдоя тодцино» 9 мим. что более чем в 50 раз превышает глубину имилан-тдцмн. ;

Механизм повышении износостойкости стали Х9ВКФ-В объясняется

следующими процессами, иыеюдиии место при ИИ азота: -блокирование дислокаций ионами азота: -перенос имплантированного азота вглубь матриц«.при трении в результате термомвканического эффекта (три-бодиф'^узни); -уменьшение коэффициента трении из-за снижение адгезии и резульмте образования оксидной пленки, появление которой стимулирустсз как имплантацией азота, так и возникновением радиационных дефектов, аазываеуах имплантацией, '

Исходр иг оптимального рехима упрочнения стали Х12Ф1, описанного в третьей главе С|-100 О/си2, п-3) была проведена обработка формообразующих пуансонов НИ НИИ С+ с энергией 300 каВ. Производственные испытания показали корреляции увеличения микротвердости и износостойкости (на 10%> при указанном режиме. Впер-вне было лрщяояено с цельи еншени» напряжений, возникавших в пвверхпастном плпе стал» после обработки Ш! применить стандартен термически» обработку - низкий отпуск при различных температурах ( от 150 до 300®С), Наилучшие результаты были получены после сочетания обработки ЗИП (Е=300 кзВ, i = 100 fl/ca2, п=3) и после-дугцвА терыичссяой обработки - отпуске при температур« 230°С, обеспйЧйоавцего аозрастанре износостойкое™ фьрхообразувзих пуансонов из стали Х12Ф1 в 1.5-раза.

Донные по износостойкости прввиимих пуансонов из стали PRH3. обработанных КИП С+, характеризуется разбросом значений коэффициента стойкости от 0.75 до 1.2 для пуансонов М10 (износостойкость остается на прежнем уровне) и сиихенкеы износостойкости для пиан-сонов большего диаметра - Н12.'Дополнительная термическая обработка - отпуск при 250°С для пуансонов К 1.0 приводит к стабильному росту износостойкости на 25-35JÍ по сравнения со стойкость«) базового инструмента. Износостойкость пуансонов И12 поело термообработки колеблется в вирвких пределах - от снижения на 20Z до возрастания более, чем в 5 раз. Зта нестабильность объясняется тем, что н поверхностном слое части пуансонов М12 в силу большего. по сравненив с пуансонами V10 размера, не проходит до конца релаксация остаточных напряжений, что ведет к зарождений треяин и преждевременному износу.

■ Механизм изменения износостойкости а результате обработки КИП угяврпча но указанным режимам связан с образованием uitpuniiftH -кого слоя толщиной несколько микрон и его устойчивости при patio -те. Если удается выровнять величину напряжений иг. всему слом, чтобы уменьшить вероятность образования в нем концентраторов напряжений, то износостойкость возрастает; если нет - снтается.

В результате обработки МЧГ) существенно изменяется характер износа рабочей поверхности пуансонов. Как правило, облученный инструмент приходит в негодность из-за кгжродефектои рабочей поверхности и кромки (образования заусенцев, выкрашивания и т.п.). тогда как поверхность базового инструмента истирается в нснонном равномерно. Зто подчеркивает необходимость стабилизация обрпзикцегпеп при обработке ЯЯП ушшчизмюго слоя, уьеныения в нем величины остаточных пзпримений, что и достигается низким отпуском.

В целом обработка КИП углерода с энергией 300 кэВ совместно с посяедуиеЛ термической обработкой - отпуском при <?50°С ведет к увеличение износостойкости холодновьсадочного инструмента из сталей Х)2Ф! и Р«И5.

Яариду с готопыми изделиями, обработанными ХИЛ углерода с эиерп'гй 300 кэН, к прокзводствстшм иг.латашэм в условиях Орловского сталепрокатного завода ^ыд представлен холоднпнысадочный пнетруыент (проеивние пуансочн из стали Р6Н5 и формообразушще пцгнепны из стали Х!2ФИ, обработанный непрерывными пучками йеной азста с энпргкей 80 кэВ и дозой 4*101' ион/см1 и импульсными пучками ионов азота с энергией -10 кэВ и дозой .'М0ии 5*(04? ион/см? Как печатали результаты испытаний, имплантация nonak.ii азота как и непрерывной, так и в импуиьсном решнах не способствует ковывеиио износостойкости, что вызвано быстрым стиранием тонкого легированного слоя. Отсвда делается вывод о неэффективности как импульсной, так и непрерывной ИИ азота в условиях высоких ударных нагрузок и преимущественного абразивного износа.

С ПРМЛОШЩ приведены акти испытаний холодновасадзчного инструмента из сталей Х12Ф1 и РШ15 . в производственных условиях Орвовского стаяепромтиого засода,- подтпер»дащие осиовнце вцводн цацнсй работы, Установлено, что применение обработки тремя им-пусьсаии КИП углерода с энергией 300 каВ, плотностью тока $6(1 О/см2 в сочетании с окончательной термической обработкой -.»«эким отпуском при температуре 250° С обеспечивает возрастание износостойкости промивных цуансонов из стали Р0И5 в 1.25-5 раз, а фьрмоебразусцих пуансонов из стали Х12Ф1 - о 1.5 раза,

0ШШЕ МГОЭДН И ГЕзттш.

1. При непрерывной имплантации сплааои на ферритной основе (армко-Тс. чугун 84 с «ароьиднми графитом) ионами азота с различной энергией происходит избирательная модификация ферритних зе-

. - 15 -

рен.'Обцли глубина модифицированной юны Лпмчс, чпм im 2 пор.-тдка пряямиаст проективной iipoSir n«i;on и состли/яот для «ipxío-Fe t'?i+, F-iO кэС) опели 50 «кк, а дли чугуна (II*. E-Í50 кьМ - »хала Ifi мкм,

lO м

2. При возрастании дозы имплантации до 2*10 иэн/см происходит переенцгнис пивеэхностипго армия-Fe азот* и нпзмикает яг!лгцт; блиеттиягл оРразовянис im ппппрхпогти вздутий с находящимся :шитри газопбрлзпни азотсм. Плисrrpanr набладаотсь только у пластичных материалов.

3. Изменение миирптвердчети н результате ИИ азота приводи! к возрастании ммкрятоердагди г, ростам доли ичпплнтации: для лрикп-

• Fe - в 1.3 рала «fv Ф 10,Т ион/(;иаи в 1.R рс.л.» при 0-5*10" ион/см* для чу1 уна П'| гоптпетстгенпо п 1.Л и 1,41 раза. Дал;.ией«с<; увеличении до ш i.íiuíc fufО*7 ион/си* не ьедег к лопые'-'Нив иикрогвгр-дости, л лрмкя-Ffl спосаб(.тпцет кгбольмлку снилении ил за вяз-нйкнопенич Рлистериига.

4. Имплантация иоьахи лап га с целы улучмпний износостойкости эффективна в случае преимущественного адгезионного износа благодаря спихенив коэффициента гренка: ИоПосостойлогть стали ХППКФ 3 возрастает в 2 pana г уп?лечением дпчч до 2»!0'7 ион/см3. R глучае вксоких угуМ>нч< »мгр'Рвк (нреимух^личнчего п0[>азин!1игп износа) имнлантлция .inora как н непрерывном. таи и и импульсном ремимах не г.мособстнует возрастании и:ж1)состпйкпг.ти.

5. Изучгнм стрчктурно-фаччпые превращения о панирхноспшх слоях хронпсодвр^ачих сталей 1*1 Я, ЯХ1 и Х1"<?1. происходящие при разннх рехимлх обработка ÍHII (С*, i-300 киРК Установлен«), что пЯрабптк.ч МЛП г низким солергянкем Сг (SX13 и 9X1) способствует возрастание количества остаточного аустенита и. следовательно. снижпнив микротпердостм. Для стали "Я1ЯМ" выявлен оптимальный рпмим ofiprt'íoгки, ведущий. к попымонив микротвердости

'И 100 ft/rV.

6. Сппмпсшое использование зблучшия НИИ С и паследупщей термической обработки - низкою отпуска способствует ловывзнип износостойкости модифицировавшей поверхности сталей Х1?<М и Р6К5 благодаря снятии остаточных напряжений и. следовательно, стабилизации цпрочненнпгп слог..

7. Лропедснм'игпмтлния кплпдншшеадоч'гшп инструмента в кон-кгртки-/ и'.пичгмдстпркких чслоинях. Установлено, что наи.тучвие результаты дает обработка КИП «С*. F-300 кэ!>, J = t00 fi/см2, ткЗ) и наследуемая тгрморбрабнткл (низкий отпуск при Т-230°С): изиосо—"

-16 ■ _ " ' • стойкость формопвразушцих пуансонов из стали Х12СМ возрастает п 1.Г) раза, а прпнивных пуансонов из стали РСК5 - п 1.25 5 раз.

Лг.памшв результаты диссертации опубликованы п работе:" Козырь.И.Г., Цыганов И.П., Варяакоп И.И., Апдиен'ип О., Фунтиков П.П.,, Иеиков И.Н. Структура и г.пойстпа поверхности мстпляоп. обработанных пучками ионон азота с энергией 10. 550 й 300 кзй// Кодификация свойств конструкционных материалов пучками эаряменннх частиц: Те:», докл.. И Всесопз, кпнф. ?Л ?Л мая 1391 г. Свердловск. ИЗ!.- Т.4,- С.62-63. ./