Формирование нанокомпозитных слоев на поверхности железа и никеля при электровзрывном легировании

2
СОДЕРЖАНИЕ
Введение 5
Глава 1 Физические особенности применения электровзрывного легирования для упрочнения и защиты поверхности металлов 15
1.1 Состояние проблемы 15
1.2 Обработка и защита поверхности металлов и сплавов
с использованием импульсных плазменных струй 18
1.2.1 Металлографические исследования формирования зоны электровзрывного легирования металлов 18
1.2.1.1 Радиус и глубина зоны легирования 18
1.2.1.2 Характерные режимы обработки 18
1.2.1.3 Особенности строения, структуры и фазового состава модифицированных слоев 22
1.2.2 Повышение свойств материалов при электровзрывном легировании 28
1.3 Анализ физических особенностей электровзрывного
легирования металлов 30
1.3.1 Теплофизические процессы обработки поверхности металлов импульсными плазменными струями 30
1.3.2 Механизмы и кинетика тепломассопереноса в поверхностных слоях металлов при электровзрывном легировании 35
1.3.3 Особенности кристаллизации поверхностных слоев металлов после обработки концентрированными потоками энергии 40
1.3.4 Термомеханические процессы на границе зоны легирования с основой 41
1.4 Цель и задачи исследования 43
з
Глава 2 Материалы, электровзрывная установка
и методика исследований 45
2.1 Материалы для исследования процессов электровзрывного легирования металлов 45
2.2 Лабораторная установка ЭВУ60/10 для получения импульсных гетерогенных плазменных струй 49
2.3 Режимы обработки, методы исследования структуры, фазового состава и свойств зоны легирования 51
2.4 Фазовые диаграммы и фазовый состав равновесных систем 57 Глава 3 Структура, фазовый состав и свойства поверхностных слоев железа и никеля после электровзрывного меднения и боромеднения 66
3.1 Световая микроскопия и микротвердость
модифицированных слоев 66
3.2 Послойные электронно-микроскопические исследования
зоны легирования 69
3.2.1 Система №-Си 69
3.2.2 Система №-Си+В 72
3.2.3 Система Ре-Си 79
3.2.4 Система Ре-Си+В 85
3.3 Выводы 89
Глава 4 Структура, фазовый состав и свойства поверхностных слоев железа после алитирования и бороалитирования и стали после армирования карбидом кремния 93
4.1 Световая микроскопия и микротвердость зоны легирования 93
4.2 Послойные электронно-микроскопические исследования структуры и фазового состава зоны легирования 94
4.2.1 Система Ре-А1 94
4.2.2 Система Ге-АІ+В 100
4
4.3 Световая микроскопия армированных слоев 105
4.4 Микротвердость, износо- и жаростойкость армированных
слоев 106
4.5 Выводы 107
Глава 5 Морфологические особенности кристаллизации зоны легирования 110
5.1 Особенности рельефа поверхности железа и никеля
после различных видов электровзрывного легирования 110
5.2 Морфологические особенности кристаллизации модифицированных слоев железа и никеля после различных видов электровзрывного легирования 119
5.3 Выводы 128
Заключение 129
Список литературы 131
ВВЕДЕНИЕ
5
Актуальность исследования. Необходимость повышения конструктивной прочности современных материалов стимулирует разработки в области поверхностного легирования и нанесения покрытий. Электровзрывное легирование (ЭВЛ) -сравнительно новый и пока еще малоизученный способ упрочнения и защиты поверхности металлов, использующий концентрированные потоки энергии (КПЭ). Он заключается в импульсном оплавлении и насыщении поверхности продуктами электрического взрыва проводников с последующей самозакалкой. Химический состав плазменного потока при обработке задается материалом взрываемого проводника. Внесение в область взрыва порошков различных химических веществ позволяет расширить область практического использования способа.
Практическое применение ЭВЛ в настоящее время сдерживается, с одной стороны, недостатком информации о влиянии поверхностного легирования на микроструктуру и свойства конкретных материалов, а с другой - с малой изученностью характерных для него взаимосвязанных тепловых, силовых, гидродинамических и физико-химических процессов обработки. Поэтому одно из направлений развития ЭВЛ на его пути в производство состоит в создании новых видов обработки. Как и в традиционной химико-термической обработке (ХТО) это -- поверхностное легирование металлами, неметаллами, а также двухкомпонентное легирование. Известны, например, работы элекгровзрывному меднению [1], железнению [2, 3], по алитирова-нию и никелированию [4], науглероживанию [5-13], борированию [14], бороалити-рованию и боротитанированию [16], карбоборированию [17, 18] технически чистых металлов, совместному насыщению поверхности стали гадолинием и бором [19]. Исследования систем с различной степенью растворимости компонентов установили, что при ЭВЛ за счет быстрой закалки из расплава формируются метастабильные пересыщенные твердые растворы, аморфные и нанокристалличсские структуры, содержащие карбиды, бориды, оксикарбиды и окислы металлов.
6
Таким образом, существует необходимость всестороннего изучения технологических возможностей ЭВЛ и модельного описания процессов, сопровождающих формирование плазменных струй и взаимодействие их с поверхностью. Особый интерес вызывает электровзрывная обработка при высокоинтенсивных режимах воздействия на поверхность, когда глубина зоны легирования и степень ее насыщения легирующими компонентами достигают максимальных значений. Высказанные выше соображения и обусловили постановку цели и задач настоящих исследований.
Цель и задачи исследовании. Работа посвящена изучению строения зоны легирования, ее структуры, фазового состава и свойств при различных видах легирования технически чистых железа и никеля как модельных материалов - меднения, бо-ромеднения, алитирования, бороалитирования, а также армирования наноразмерны-ми частицами карбида кремния. В соответствии с этой целью были поставлены следующие задачи. Во-первых, методами измерения микротвердости, световой, растровой и просвечивающей электронной микроскопии и рентгеноструктурного фазового анализа изучить закономерности одно- и двухкомпонентного ЭВЛ модельных металлов и промышленной стали. Во-вторых, дать модельное описание процессов ЭВЛ (морфологических особенностей кристаллизации модифицированных слоев). В-третьих, определить служебные свойства модифицированных слоев - их микротвердость, износо- и жаростойкость в атмосфере воздуха.
Объект исследования. Настоящая работа выполнена в рамках общего направления развития научных исследований и практических разработок - обработки материалов концентрированными потоками энергии. Такая обработка проводится различными способами, среди которых можно выделить ряд способов нанесения тонких пленок и покрытий и поверхностного легирования с использованием импульсных плазменных потоков и струй [20-79]. Наиболее близкими к ЭВЛ по параметрам и условиям воздействия на поверхность являются способы, использующие плазму взрывчатых веществ [36-49] и магнитоплазменных компрессоров [50-79]. Поскольку каждый из способов обработки имеет свои достоинства и недостатки и свою оп-
7
тимальную область применения, использование того или иного из них обусловлено, прежде всего, экономическими соображениями, технологическими особенностями самого способа и содержанием конкретной задачи.
Предмет исследования. Для ЭВЛ характерна своя специфическая область значений технологических и теплофизических параметров обработки (площади зоны плазменного воздействия, времени облучения, поглощаемой плотности мощности и др.) по сравнению с другими способами обработки поверхности, использующими КПЭ. Это определяет особый интерес к разработке этого способа.
Методологическая и теоретическая основа исследования. За последние годы в нашей стране и за рубежом был опубликован ряд монографий [80-89] и множество статей по вопросам взаимодействия КПЭ с материалами. В них отражены достижения науки в области изучения физических и физико-химических процессов в зонах воздействия КПЭ, а также их практического применения. Прежде всего, это работы по лазерной и электронно-лучевой обработке. Их анализ показывает, что происходит расширение области пересечения параметров существенно различающихся по техническому оформлению процессов лазерной, электронно-лучевой и плазменной обработки. Это позволяет анализировать основные физические явления, возникающие при ЭВЛ металлов, с единых для всех названных способов обработки позиций, развивая уже имеющиеся в литературе модельные представления. Прежде всего, это касается теплофизических и гидродинамических процессов обработки. Ранее этот подход систематически применялся в работах [90-98].
Научная новизна. Впервые методами световой, растровой и просвечивающей электронной микроскопии тонких фольг получены сведения о рельефе поверхности, строении, структурных особенностях и фазовом составе зоны ЭВЛ после новых видов обработки. Изучены поверхностные слои после меднения и боромеднения железа и никеля, алитирования и бороалитирования железа, осуществленных в высокоинтенсивном режиме обработки, когда на результаты существенным образом влияет
8
давление струи на поверхность. Впервые осуществлено электровзрывное армирование поверхностных слоев стали Х12 ультрадисперсным порошком карбида кремния.
Показано, что по глубине зоны легирования в общем случае можно выделить четыре характерных слоя, образованных с участием легирующих элементов: 1) тонкий приповерхностный нанокомпозитный слой; 2) промежуточный слой с ячеистой кристаллизацией; 3) приграничный слой с зеренной структурой; 4) тонкий нанокри-сталлический слой с низкой степенью легирования на границе с основой. Основными по объему являются либо слой с ячеистой структурой, либо с зеренной. Объемное соотношение между ними зависит от формируемой системы. В случае двухкомпонентного легирования с использованием бора основным является промежуточный слой с ячеистой структурой.
Обнаружена взаимосвязь между рельефом поверхности зоны легирования, морфологическими особенностями ее кристаллизации и состоянием границы с основой. В случае двухкомпонентного легирования на поверхности в большем количестве по сравнению со случаем однокомпонентного легирования обнаруживаются области несплошного покрытия с высокоразвитым рельефом. При этом уменьшаются следы радиального течения расплава от центра зоны легирования к ее периферии. Основным по объему зоны легирования становится слой с ячеистой кристаллизацией, а на границе с основой исчезают возмущения, связанные с течением расплава.
Предложено объяснение этих особенностей, заключающееся в том, что в случае использования порошковой навески по отношению к случаю однокомпонентного легирования возрастает плотность и давление плазменной струи на срезе сопла и, как следствие, увеличивается ее радиус. При этом градиент давления вдоль радиуса облучаемой поверхности уменьшается, течение расплава от центра к периферии подавляется. Уменьшение интенсивности течения расплава создает условия для ячеистой кристаллизации.
9
Показано, что изменения затрагивают и зону термического влияния, в которой также как и вблизи границы зоны легирования с основой обнаруживается повышенная плотность дислокаций.
Практическая значимость работы. Установлено, что при электровзрывном легировании (армировании) промышленной стали XI2 алюминием и ультрадисперс-ным карбидом кремния прочностные характеристики повышаются в несколько раз. При этом удается получить поверхностные слои с высокой микротвсрдостью, одновременно устойчивые как против высокотемпературного окисления, так и против абразивного изнашивания.
Апробация результатов исследования. Результаты диссертации представлялись на Всероссийской научно-практической конференции “Металлургия: новые технологии, управление, инновации и качество”, Новокузнецк, 2005; 3-й Всероссийской конференции молодых ученых “Фундаментальные проблемы в 3-м тысячелетии” в рамках Российского научного форума с международным участием “Демидовские чтения”, Томск, 2006; XVI и XVII Петербургских чтениях по проблемам прочности, Санкт-Петербург, 2006, 2007; III Евразийской научно-практической конференции “Прочность неоднородных структур” (ПРОСТ - 2006), Москва, 2006; XVI Международной конференции “Физика прочности и пластичности материалов”, Самара, 2006; 4-й Международной конференции “Фазовые превращения и прочность кристаллов”, Черноголовка, 2006; 2nd International Congress on Radiation Physics and Chemistry of Inorganic Materials, High Current Electronics, and Modification of Materials with Particle Beams and Plasma FIows, Tomsk, 2006; VIII Международной школе-семинаре “Эволюция дефектных структур в конденсированных средах”, Барнаул, 2006; Бернштейновских чтениях по термомеханической обработке металлических материалов, Москва, 2006; 5-й Международной конференции “Актуальные проблемы прочности”, Белгород, 2006; 5-й научно-технической конференции “Новые перспективные материалы, оборудование и технологии для их получения” в рамках Недели металлов в Москве, 2006.
10
Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 27 работы, в том числе 16 статей и тезисы 11 докладов.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Способ ЭВЛ, позволяющий осуществить поверхностное меднение и боро-меднение железа и никеля, алитирование и бороалитирование железа, армирование стали Х12 ультрадисперсным порошком карбида кремния.
2. Результаты изучения рельефа поверхности, строения, фазового состава и структуры зоны легирования, слои которой закономерно связаны друг с другом и с основой и отличаются различной степенью легирования, морфологией и дисперсностью фаз.
3. Влияние частиц порошковой навески аморфного бора на особенности формирования покрытия, радиального течения расплава, границы раздела с зоной термического влияния, ячеистой и зеренной структуры слоев.
4. Влияние перегрева расплава под давлением струи, его последующего вскипания и охлаждения с высокой скоростью на образование наноразмерных фаз.
5. Повышение микротвердости, износо- и жаростойкости поверхности после электровзрывного меднения и боромеднения железа и никеля, алитирования и бо-роалитирования железа, армирования стали Х12 карбидом кремния.
Краткое описание структуры диссертационной работы. Диссертация включает в себя введение, 5 глав и заключение, изложена на 147 страницах машинописного текста, содержит 69 рисунков и 4 таблицы, список литературы состоит из 169 наименований.
Первая глава посвящена анализу научных исследований и практических разработок в области упрочнения и защиты металлов поверхностным легированием с использованием импульсных плазменных потоков и струй. Основное внимание уделено одному из видов электровзрывной обработки поверхности, использующему плазменные ускорители с коаксиально-торцевой системой электродов. В этом случае из продуктов взрыва формируется сверхзвуковая импульсная плазменная струя, взаи-
11
модействие которой с поверхностью при определенных условиях приводит к образованию вблизи нее ударно-сжатого слоя с высокими значениями температуры и давления. Это позволяет проводить не только напыление покрытий, но и осуществлять легирование. Оно происходит в результате оплавления и насыщения продуктами взрыва и порошковыми частицами различных веществ, которые специально вводят в плазменную струю, тонких поверхностных слоев облучаемого материала.
Рассмотрены литературные данные по формированию импульсных плазменных струй при электрическом взрыве проводников, возможностям управления их структурой, взаимодействию с поверхностью. Рассмотрены также различные физические процессы, определяющие формирование строения, структуры, фазового состава и свойств модифицированных при ЭВЛ слоев. Показано, что результаты обработки определяет внутренняя взаимосвязь гетерогенной структуры плазменных струй, их импульсного характера и сочетания теплового, силового и химического факторов воздействия, одновременно действующих на поверхность
Отмечено, что разработка технологических возможностей ЭВЛ, также как и модельное описание различных стадий этой обработки в настоящее время не завершены. Выявлено перспективное направление ее развития, а именно ЭВЛ в высокоинтенсивных режимах обработки. В конце главы сформулированы цель и задачи исследования, раскрыта его научная значимость.
Во второй главе описана функциональная электрическая схема лабораторной установки для получения гетерогенных плазменных струй и ее параметры. Рассмотрены использованные методы исследования фазового состава и свойств поверхностных слоев. Обоснован выбор видов легирования и материалов для исследования -модельных металлов железа и никеля, а также инструментальной стали Х12 для определения возможности практического использования способа.
В третьей главе представлены результаты исследования одно- и двухкомпонентных систем никель-медь, никель-медь+бор, железо-медь и железо-медь+бор, сформированных при ЭВЛ в высокоинтенсивном режиме. Методом световой микро-
12
скопии и измерения микротвердости определены особенности строения зоны легирования и распределения легирующих элементов по глубине после обработки поверхности. Показано, что формирующаяся структура имеет ярко выраженный градиентный характер, вызванный изменением концентрации легирующего элемента по глубине зоны. Выявлено формирование на границе оплавления железа подслоя с существенное измельченной зеренной структурой.
Методами дифракционной электронной микроскопии тонких фольг проведены послойные исследования зоны электровзрывного меднения и боромеднения никеля. Показано, что структурно-фазовое состояния зоны легирования имеет ярко выраженный градиентный характер с уменьшающимся с глубиной содержанием легирующих элементов и синтезированных фаз. В обоих случаях на поверхности формируется тонкий квазиаморфный или нанокристаллический слой синтезированных фаз (боридов, оксидов и оксиборидов никеля и меди). Другими характерными особенностями зоны легирования являются наличие в ней слоя ячеистой кристаллизации, а на границе с основой металла - переходного слоя с высокой степенью пластической деформации. Структурные изменения с образованием высокой скалярной плотности дислокаций затрагивают также и зону термического влияния.
Аналогичные результаты были получены при исследовании зоны ЭВЛ железа медью и одновременно медью и бором. Рассмотрены особенности трех характерных слоев: тонкого поверхностного слоя с нанокристаллической структурой, промежуточного слоя со структурой ячеистой кристаллизацией и приграничного слоя на дне зоны легирования, закаленного с образованием мартенситной структуры. Отмечено, что при боромеднении распределение меди по глубине зоны легирования более однородно, чем при меднении. Основной по объему слой в ней - промежуточный, а при меднении - приграничный.
В четвертой главе рассмотрены результаты, полученные при исследованиях фазового состава и дефектной субструктуры зоны ЭВЛ после алитирования и бороа-литирования железа. Установлено, что после алитирования основной по объему слой