«2А.А. Гришкевич, ‘А.А. Колесникова ИОННО-ЛУЧЕВОЕ АЗОТИРОВАНИЕ ВОЛЬФРАМСОДЕРЖАЩЕЙ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ: СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И СВОЙСТВА 'Физико-технический институт НАН Беларуси, белорусский ...»

УДК 621.793.1

'А.Н. Карпович, 'А.В. Белый,

2А.А. Гришкевич, ‘А.А. Колесникова

ИОННО-ЛУЧЕВОЕ АЗОТИРОВАНИЕ

ВОЛЬФРАМСОДЕРЖАЩЕЙ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ:

СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И СВОЙСТВА

'Физико-технический институт НАН Беларуси,

белорусский государственный технологический университет,

г. Минск, Беларусь

Исследованы структурно-фазовые превращения, коррозионные и триботехнические свойства поверхностных слоев волъфрамсодержащей быстрорежущей стали после ионно-лучевого азотирования. Установлены оптимальные режимы ионно-лучевого упрочнения .

The structural and phase transformations, tribological and corrosion properties o f the surface layers of righ-speed tungsten steel after ion-beam nitriding were investigated. The optimal ion-beam hardening condions were determined .

Ионную имплантацию достаточно широко используют в качестве метода упрочнения ре­ жущего инструмента [1]. Повышение стойкости объясняется уменьшением коэффициента тре­ ния, а также повышением микротвердости поверхностных слоев обработанных материалов и оптимизацией микроструктуры .

В настоящее время на деревообрабатывающих предприятиях Республики Беларусь ши­ роко используются дорогостоящие импортные инструменты, повышение стойкости которых является актуальной задачей. В качестве материала для исследования были выбраны образцы быстрорежущей стали HSS16DX (аналог Р18), из которой изготовлены ножи для резки тексти­ ля фирмы Investronica на ЗАО «Пинскдрев» .

Во многих практически важных случаях, например при деревообработке, стойкость ин­ струмента определяется не только его механическими и триботехническими, но и коррозион­ ной свойствами поверхностного слоя .

В рамках данной работы проведены исследования поверхностной топографии работы вы­ хода электрона (РВЭ) образцов исследуемой стали, обработанных при различных температу­ рах, триботехнические и коррозионные испытания, а также испытания на стойкость инстру­ мента из быстрорежущей стали .

Ионно-лучевая обработка образцов осуществлялась на базе вакуумной установки УВНМ, оснащенной ионным источником типа УАС. Азотирование проводилось при энергии 3 кэВ и плотности ионного тока ~2 мА/см2, флюенс легирования составлял 3,9'101 см-2. Нагрев об­ разцов осуществляли со стороны необрабатываемой поверхности при помощи резистивного нагревателя до температур 720, 770 и 820 К .

Исследование химического состава образцов проводилось на рентгенофлуоресцентном спектрометре S4 Pioner фирмы Bruker AXS [2] .

Данные по химическому составу исследуемой стали до и после ионно-лучевого азотиро­ вания при различных температурах приведены в табл. 1 .

–  –  –

Основным карбидом исследуемой стали (табл. 2) в исходном состоянии является (Fe,M)gC, обладающий сложной ГЦК кристаллической решеткой с пространственной группой Fd3mp .

Ранее проведенные исследования [7-8] позволили установить, что насыщение матричных фаз стали атомами азота приводит к образованию твердых растворов азота в присутствующих, выделению нитридных (у’ и в) и карбонитридных M6 (C,N) и M(C,N) фаз, изоморфных соот­ ветствующим карбидным фазам, а при достаточно высоких температурах — к развитию аморфизации поверхностного слоя. По данным [5], наблюдавшаяся в поверхностных слоях ионновотированных сталей у’-фаза обладает наилучшими триботехническими характеристиками в сравнении с другими нитридами, в частности, с нитридами богатыми азотом .

На рис. 1 представлены данные по определению КРП стальных образцов стали HSS16DX, юлученные при сканировании их поверхностей. Распределение значений КРП по поверхно­ сти образца отражает не только неоднородность структуры поверхности, но и изменение инте­ гральных свойств поверхности под действием ионно-лучевой обработки. Анализ данных по­ казывает, что значение КРП для необработанных ионами азота образов (рис. 1, а), как и для об­ разцов, обработанных при температуре 720 К (рис. 1, б) приблизительно равны (-45-(-30) мВ) .

Увеличение температуры до 770-820 К (рис. 1, в-г) приводит к увеличению значений КРП до

-20-0 мВ. Как известно [5], значения РВЭ характеризуют энергетическое состояние системы, по которому можно предугадать поведение стали в различных условиях эксплуатации. Измеряя значения КРП, можно судить об изменении РВЭ по поверхностям исследуемых сталей .

Р18 Рис. 1.

Зависимость значений КРП образцов стали HSS16DX от температуры ионно-лучевого азотирования:

а — исходное состояние; б — имплантация N+при 720 К; в — 770 К; г — 820 К Сопоставляя данные распределения КРП по поверхности исследуемой стали, подвергнутой ионно-лучевой обработке (например при 820 К), со снимками поверхности того же образца после выдержки в 10%-ом растворе NaCl (рис. 2), можно спрогнозировать интенсивность и поверхностное распространение коррозионных разрушений. Так как картина распределения КРП гетерогенна, то следует ожидать неднородной инстенсивности коррозионных разрушений: интенсивность коррозии максимальна в областях с наибольшими значениями КРП, следовательно с наименьшими значениями РВЭ .

10мм

Рис. 2. Образец стали HSS16DX после ионно-лучевого азотирования при 820 К:

а — поверхность образца после выдержки в 10%-ом растворе NaCl (550 ч); б — картина распределения КРП по поверхности до коррозионных разрушений Видно, что в областях, где значение КРП максимально (около 0 мВ) поверхность прокорродировала наиболее интенсивно (участок R 1,5 мм). Таким образом, картина коррозионного разрушения поверхности исследуемого материала повторяет картину распределения КРП .

На рис. 3 представлены зависимости скорости коррозионного растворения в 10%-ом рас­ творе NaCl обработанной при различных режимах исследуемой стали .

–  –  –

На ЗАО «Пинскдрев» были проведены производственные испытания ножей для рез­ ки текстиля фирмы Investronica из стали марки HSS16DX (скорость продольной подачи — 30 м/мин; скорость поперечной подачи — 2500 об/мин). Результат испытаний показал, что поеле ионно-лучевого азотирования при 720 К срок службы ножей увеличился по сравнению с необработанными инструментами с 35 до 50 часов, микротвердость при этом возросла от 8 000 до 14 500 МПа .

Заключение

1. Ионно-лучевое азотирование стали HSS16DX при 720 К приводит к увеличению корро­ зионной стойкости в 1,3 раза, что связано с изменениями фазового состава: развитие двух кон­ курирующих процессов (образования твердых растворов азота в исходных матричных фазах и формирования новых фазовых выделений) .

Более высокие температуры азотирования при­ водят к значительному росту коррозионной стойкости (до 6 раз) первые 170 часов выдержки в агрессивной среде, однако после стравливания имплантированного слоя, скорость коррозии резко возрастает и после выдержки около 500 часов приближается к значениям для необрабо­ танной стали .

2. Области с наименьшими значениями и максимальным градиентом величины РВЭ кор­ родируют наиболее интенсивно .

3. Результаты испытания стойкости инструмента из стали HSS16DX на ЗАО «Пинскдрев»

показали прирост износостойкости примерно в 1,5 раза .

Список использованных источников

1. Брюхов, В.В. Повышение стойкости инструмента методом ионной имплантации. — Томск: Изд-во НТЛ, 2003. — С. 120 .

2. Ревенко, А.Г. Рентгенофлуоресцентный анализ: состояние и тенденции развития (об­ зор). — Завод, лаборатория. Диагностика материалов, 2000. — Т. 66, — № 10. м с. 3-19 .

3. Белый, А.В. Фазовые и структурные превращения в материалах на основе железа, подвергнутых низкоэнергетической имплантации азотом при высоких плотностях тока. / Белый А.В., Кукареко В.А., Лободаева О.В., Ших С. К. — Физика металлов и металловедение, 1995, т. 80, №6, С. 82-95 .

4. Харитонов, Ю.Я. Аналитическая химия (аналитика). — М.: Высшая школа, 2000 .

5. Жарин, А.Л. Метод контактной разности потенциалов и его применение в триболо­ гии. — Мн.: Бестпринт, 1996. — С. 240 .

6. Белый, А.В. Работа выхода электрона и физико-механические свойства хромсодержа­ щих ионно-легированных сталей / Белый А.В., Жарин А.Л., Карпович А.Н., Таяловский А.К. — Весці Н АН Беларусі Серыя фізіка-тэхнічных навук, 2016. — № 1. — С. 21-27 .

Белый, А.В. Ионно-лучевое азотирование металлов, сплавов и керамических материа­ лов. — Минск, Беларуская навука, 2014. — С. 411 .

7. Карпович, А.Н. Ионно-лучевое азотирование быстрорежущих сталей: структурно­ фазовые изменения и свойства / Современные методы и технологии создания и обработки материалов: VIII Международная научно-техническая конференция (Минск, 18-20 сентября 2013 г.) — Минск: ФТИ НАН Беларуси, 2013. — № 2 (3). — с. 243-248.