blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2017-10-839-845blackmet-1162Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEСТРУКТУРА И СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТИ ВЫСОКОХРОМИСТЫХ СТАЛЕЙ, МОДИФИЦИРОВАННЫХ ИНТЕНСИВНЫМ ИМПУЛЬСНЫМ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМSTRUCTURE AND PROPERTIES OF THE SURFACE OF HIGH-CHROMIUM STEELS MODIFIED WITH AN INTENSE PULSED ELECTRON BEAMИвановЮ. Ф.IvanovYu. F.

д.ф.-м.н., профессор, ведущий научный сотрудник,

634055, Томск, пр. Академический, 2/3;

634050, Томск, пр. Ленина, 30

Dr. Sci. (Phys.-math.), Professor, Chief Recearcher,

Tomsk

yufi55@mail.ruКлопотовА. А.KlopotovA. A.

д.ф.-м.н., профессор кафедры прикладной механики и материаловедения,

634003, Томск, пл. Соляная, 2

Dr. Sci. (Phys.-math.), Professor of the Chair “Applied Mechanics and Material Science”,

Tomsk

klopotovaa@tsuab.ruПетриковаЕ. А.PetrikovaE. A.

младший научный сотрудник,

634055, Томск, пр. Академический, 2/3

Junior Researcher,

Tomsk

elizmarkova@yahoo.comАбзаевЮ. А.AbzaevYu. A.

д.ф.-м.н., профессор кафедры высшей математики,

634003, Томск, пл. Соляная, 2

Dr. Sci. (Phys.-math.), Professor of the Chair of Advanced Mathematics,

Tomsk

abzaev2010@yandex.ruИвановаО. В.IvanovaO. V.

к.ф.-м.н., доцент кафедры высшей математики,

634003, Томск, пл. Соляная, 2

Cand. Sci. (Phys.-math.), Assist. Professor of the Chair of Advanced Mathematics,

Tomsk

Ivaov@mail.ruИнститут сильноточной электроники СО РАН; Национальный исследовательский Томский политехнический университетРоссияInstitute of High Current Electronics SB RAS; National Research Tomsk Polytechnic UniversityRussian FederationТомский государственный архитектурно-строительный университетРоссияTomsk State University of Architecture and BuildingRussian FederationИнститут сильноточной электроники СО РАНРоссияInstitute of High Current Electronics SB RASRussian Federation2017281120176010839845Copyright © Иванов Ю.Ф., Клопотов А.А., Петрикова Е.А., Абзаев Ю.А., Иванова О.В., 20172017Иванов Ю.Ф., Клопотов А.А., Петрикова Е.А., Абзаев Ю.А., Иванова О.В.Ivanov Y.F., Klopotov A.A., Petrikova E.A., Abzaev Y.A., Ivanova O.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1162

Работа посвящена выявлению и анализу закономерностей формирования наноструктурных, многофазных поверхностных слоев в высокохромистых сталях 12Х18Н10Т и 20Х13, подвергнутых облучению интенсивным импульсным электронным пучком на установке «СОЛО». Осуществлен термодинамический анализ системы Fe – Cr – C. Показано, что легирование углеродом сплавов Fe – Cr приводит к значительному изменению в них структурно-фазового состояния и оказывает определяющее влияние на области существования карбидов Me23С6 , Me7 С3 , Me3 С2 и Me3 С с α- и γ-фазами. Проведены численные расчеты температурного поля, формирующегося в поверхностном слое стали при облучении электронным пучком. Показано, что при плотности энергии пучка электронов 10  Дж/см2 независимо от длительности импульса пучка электронов (50  –  200  мкс) максимальная температура, достигаемая на поверхности образца к концу действия импульса, ниже температуры плавления стали. При плотности энергии пучка электронов 20  –  30  Дж/см2 и длительности импульса 50  мкс на поверхности облучения максимальная температура равна температуре кипения стали; при длительности импульса 200  мкс – достигает или превышает температуру плавления стали. Выполнены исследования структуры, механических и трибологических свойств поверхностного слоя образцов высокохромистых сталей 12Х18Н10Т и 20Х13, сформировавшегося при облучении интенсивным импульсным электронным пучком. Установлено, что электронно-пучковая обработка стали в режиме плавления и последующей высокоскоростной кристаллизации сопровождается растворением частиц исходной карбидной фазы состава Мe23С6 ((Cr,  Fe)23C6 ), насыщением кристаллической решетки поверхностного слоя атомами углерода и хрома, формированием ячеек дендритной кристаллизации субмикронных размеров, выделением наноразмерных частиц карбида титана и карбида хрома. В совокупности это позволило улучшить (относительно исходного состояния) прочностные и трибологические свойства исследуемых материалов. Для стали 12Х18Н10Т выявлено увеличение твердости поверхностного слоя в 1,5 раза, износостойкости в 1,5 раза, коэффициент трения снизился в 1,6 раза; для стали 20Х13 выявлено увеличение микротвердости в 1,5 раза, износостойкости в 3,2 раза, снижение коэффициента трения в 2,3 раза.

The work is focused on the identification and the analysis of regularities in formation of nanostructured, multiphase surface layers in high-chromium steels 12Cr18Ni10T and 20Cr13 subjected to irradiation with an intense pulsed electron beam (installation “SOLO”). A  thermodynamic analysis of Fe – Cr – C system was carried out. It is shown that carbon-doping of Fe – Cr alloys leads to a significant change in the structural-phase state and has a determining effect on existence regions of carbides Me23С6 , Me7 С3 , Me3 С2 , and Me3 С with α- and γ-phases. Numerical calculations of the temperature field formed in the surface layer of steel during the irradiation with an electron beam were carried out. It is shown that at a beam energy density of 10  J/cm2 , regardless of the pulse duration of the electron beam (50  –  200  ms), the maximum temperature reached at the sample surface by the end of the pulse is below the melting point of steel. At an energy density of the electron beam (20  –  30) J/cm2 and pulse duration of 50  µs the maximum temperature of irradiated surface is equal to the boiling point of steel; at a pulse duration of 200  µs it reaches or exceeds the melting point of steel. The structure, mechanical and tribological properties of surface layer of the samples of high chromium steels 12Cr18Ni10T and 20Ni13 formed under the irradiation with an intense pulsed electron beam were studied. It is established that the electron-beam treatment of steel in the melting mode and the subsequent high-speed crystallization is accompanied by dissolution of particles of the initial carbide phase of the composition Me23С6 ((Cr,  Fe)23C6 ), saturation of the crystalline lattice of the surface layer with chromium atoms, formation of cells of the dendritic crystallization of submicron sizes, and release of nanosized particles of titanium carbide and chromium carbide. Together, this made it possible to increase (relative to the initial state) the strength and tribological properties of the studied materials. For steel 12Cr18Ni10Т, an increase in the hardness of the surface layer by 1.5  times, the wear resistance by 1.5 times, and a decrease in the friction coefficient by 1.6 times are revealed. For steel 20Cr13, an increase in the microhardness by 1.5 times, the wear resistance by 3.2 times, and a decrease in the friction coefficient by 2.3 times are revealed.

высокохромистая нержавеющая стальдиаграмма состоянияинтенсивный импульсный электронный пучокструктурафазовый составмикротвердостьизносостойкостькоэффициент тренияhigh-chromium stainless steelstate diagramintense pulsed electron beamstructurephase compositionmicrohardnesswear resistancefriction coefficientРФФИ, Президиум РАН, СО РАН; Тересов А.Д.ReferencesБерлин Е.В., Коваль Н.Н., Сейдман Л.А. Плазменная химико-термическая обработка поверхности стальных деталей. – М.: Техносфера, 2012. – 464 с.Berlin E.V., Koval’ N.N., Seidman L.A. Plazmennaya khimikotermicheskaya obrabotka poverkhnosti stal’nykh detalei [Plasma chemical-thermal treatment of the surface of steel parts]. Moscow: Tekhnosfera, 2012, 464 p. (In Russ.).Интегрированные методы обработки конструкционных и инструментальных материалов с использованием тлеющих и вакуумно-дуговых разрядов / В.В. Будилов, Н.Н. Коваль, Р.М. Киреев, К.Н. Рамазанов; под. ред В.С. Мухина. – М.: Машиностроение, 2013. – 313 с.Budilov V.V., Koval’ N.N., Kireev R.M., Ramazanov K.N. Integrirovannye metody obrabotki konstruktsionnykh i instrumental’nykh materialov s ispol’zovaniem tleyushchikh i vakuumno-dugovykh razryadov [Integrated methods for processing structural and tool materials from glow and vacuum arc discharges]. Mukhin V.S. ed. Moscow: Mashinostroenie, 2013, 313 p. (In Russ.).Poate J.M., Foti G., Jacobson D.C. Surface modification and alloying by laser, ion and electron beams. – New York and London: Plenum Press, 1983. – 424 p.Poate J.M., Foti G., Jacobson D.C. Surface modification and alloying by laser, ion and electron beams. New York, London: Plenum Press, 1983, 424 p.Ion implantation and beam processing / Ed. J.S. Williams and J.M. Poate. – Sydnee and New York: Academicpress, 1984. – 358 p.Ion implantation and beam processing. Williams J.S., Poate J.M. eds. Sydnee, New York: Academicpress, 1984, 358 p.Перспективные радиационно-пучковые технологии обработки металлов / В.А. Грибков, Ф.И. Григорьев, Б.А. Калин, В.П. Якушин. – М.: Круглый стол, 2001. – 528 с.Gribkov V.A., Grigor’ev F.I., Kalin B.A., Yakushin V.P. Perspektivnye radiatsionno-puchkovye tekhnologii obrabotki metallov [Perspective radiation-beam technologies of metal processing]. Moscow: Kruglyi stol, 2001, 528 p. (In Russ.).Модификация материалов компрессионными плазменными потоками / В.В. Углов, Н.Н. Черенда, В.М. Анищик, В.М. Асташинский, Н.Т. Квасов. – Минск: изд. БГУ, 2013. – 248 с.Uglov V.V., Cherenda N.N., Anishchik V.M., Astashinskii V.M., Kvasov N.T. Modifikatsiya materialov kompressionnymi plazmennymi potokami [Modification of materials by compression plasma streams]. Minsk: izd. BGU, 2013, 248 p. (In Russ.).Rotshtein V., Ivanov Yu., Markov A. Surface treatment of materials with low-energy, high-current electron beams. P. 6. In book “Materials surface processing by directed energy techniques” / Еd. Y. Pauleau. – Elsevier, 2006. P. 205 – 240.Rotshtein V., Ivanov Yu., Markov A. Surface treatment of materials with low-energy, high-current electron beams. Chapter 6 in Book “Materials surface processing by directed energy techniques”. Y.  Pauleau Ed. Elsevier, 2006, pp. 205–240.Белов А.В. и др. Сильноточные импульсные электронные пучки для авиационного двигателестроения / Под общ. ред. В.А. Шулова, А.С. Новикова, В.И. Энгелько. – М.: ДИПАК, 2012. – 292 с.Shulov V.A., Paikin A.G., Novikov A.S. etc. Sil’notochnye elektronnye impul’snye puchki dlya aviatsionnogo dvigatelestroeniya [High-current pulsed electron beams for aircraft engine building]. Shulov  V.A., Novikov A.S., Engel’ko V.I. eds. Moscow: Dipak, 2012, 292 p. (In Russ.).Марочник сталей и сплавов / В.Г. Сорокин, А.В. Волосникова, С.А. Вяткин и др; под общ. ред. В.Г. Сорокина. – М.: Машиностроение, 1989. – 640 с.Sorokin V.G., Volosnikova A.V., Vyatkin S.A. etc. Marochnik stalei i splavov [Grade guide of steels and alloys]. Sorokin V.G. ed. Moscow: Mashinostroenie, 1989, 640 p. (In Russ.).Grigoriev S.V., DevjatkovV.N., Koval N.N.,TeresovA.D.TheAutomated Installation for Surface Modification of Metal and CeramicMetal Materials and Products by Intensive Pulse Sub-Millisecond Electron Beam. – In Proc. 9th Intern. Conf. on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. – Tomsk, 2008. P. 19 – 22.Grigoriev S.V., Devjatkov V.N., Koval N.N., Teresov A.D. The automated installation for surface modification of metal and ceramic-metal materials and products by intensive pulse sub-millisecond electron beam. In: Proc. 9th Intern. Conf. on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. Tomsk, 2008, pp.  19–22.Абзаев Ю.А., Саркисов Ю.С., Клопотов А.А., Клопотов В.Д., Афанасьев Д.А. Полнопрофильный рентгеноструктурный анализ клинкерного минерала С4AF // Вестник ТГАСУ. 2012. № 4. С. 200 – 209.Abzaev Yu.A., Sarkisov Yu.S., Klopotov A.A., Klopotov V.D., Afanas’ev D.A. Full-profile x-ray structural analysis of clinker mineral C4AF. Vestnik TGASU. 2012, no. 4, pp. 200–209. (In Russ.).Лякишев Н.П. Диаграммы состояния двойных металлических систем. В 3-х т. Т. 1 – 3. – М.: Машиностроение, 1996 – 2000.Lyakishev N.P. Diagrammy sostoyaniya dvoinykh metallicheskikh sistem. V 3-kh t. T. 1 – 3 [Diagrams of the state of double metal systems. In 3 vols., vol. 1 – 3]. Moscow: Mashinostroenie, 1996  –  2000. (In Russ.).Goldschmidt H.J. Interstitial Alloys. – London: Butterworths, 1967. – 424 p.Goldschmidt H.J. Interstitial alloys. London: Butterworths, 1967, 424 p.Kubaschewski O. Iron-Binary Phase Diagrams. – Berlin-Heidelberg-New York: Springer-Verlag, 1982. – 184 p.Kubaschewski O. Iron-binary phase diagrams. Berlin-HeidelbergNew York: Springer-Verlag, 1982, 184 p.Ohmori Y., Sugisawa S. The precipitation of carbide during tempering of high carbon martensite // Trans. Jap. Inst. Met. 1971. Vol. 12. No. 3. Р. 170 – 178.Ohmori Y., Sugisawa S. The precipitation of carbide during tempering of high carbon martensite. Trans. Jap. Inst. Met. 1971, vol. 12, no. 3, pp. 170–178.Jack К.Н., Wild S. Nature of c-carbide and its possible occurrence in steels // Nature. 1966. Vol. 212. No. 5059. Р. 248 – 250.Jack К.Н., Wild S. Nature of χ-carbide and its possible occurrence in steels. Nature. 1966, vol. 212, no. 5059, pp. 248–250.Барабаш О.М., Коваль Ю.Н. Кристаллическая структура металлов. Справочник. – Киев: Наукова думка, 1986. – 598 с.Barabash O.M., Koval’ Yu.N. Kristallicheskaya struktura metallov. Spravochnik [Crystalline structure of metals. Directory]. Kiev: Naukova dumka, 1986, 598 p. (In Russ.).Белоус М.В., Черепин В.Т., Васильев М.А. Превращения при отпуске стали. – М.: Металлургия, 1973. – 232 с.Belous M.V., Cherepin V.T., Vasil’ev M.A. Prevrashcheniya pri otpuske stali [Transformations at tempering of steel]. Moscow: Metallurgiya, 1973, 232 p. (In Russ.).Lee B.J. Thermodynamic calculations in stainless steels alloy systems // Korean Inst. Met. 1995. Vol. 33. No. 3. P. 766 – 775.Lee B.J. Thermodynamic calculations in stainless steels alloy systems. Korean Inst. Met. 1995, vol. 33, no. 3, pp. 766–775.Durand-Charre M. Microstructure of steels and cast irons. – Berlin Heidelberg: Springer, 2004. – 404 s.Durand-Charre M. Microstructure of steels and cast irons. Berlin, Heidelberg: Springer, 2004.JellinghausW., Keller H. On the Iron-Chromium-Carbon Systemand Distribution of Chromium between Ferrite and Special Carbides.// Arch. Eisenhüttenwesen. 1972. Vol. 43. No. 4. P. 319 – 328. (In Germ.)Jellinghaus W., Keller H. On the iron-chromium-carbon system and distribution of chromium between ferrite and special carbides. Arch. Eisenhüttenwesen. 1972, vol. 43, no. 4, pp. 319–328. (In Germ.)Kundrat D.M., Chochol M., Elliott J.F. Phase relationships in the Fe–Cr–C system at solidification temperatures // Met. Trans. 1985. Vol. 15B. No. 1-4. S. 663 – 676.Kundrat D.M., Chochol M., Elliott J.F. Phase relationships in the Fe–Cr–C system at solidification temperatures. Met. Trans. 1985, vol. 15B, no. 1-4, pp. 663–676.Самарский А.А. Введение в численные методы. – М.: Наука, 1997. – 271 с.Samarskii A.A. Vvedenie v chislennye metody [Introduction to numerical methods]. Moscow: Nauka, 1997, 271 p. (In Russ.).Эволюция структуры поверхностного слоя стали, подвергнутой электронно-ионно-плазменным методам обработки / Под ред. Н.Н. Коваля, Ю.Ф. Иванова. – Томск: Изд-во НТЛ, 2016. – 303 с.Evolyutsiya struktury poverkhnostnogo sloya stali, podvergnutoi elektronno-ionno-plazmennym metodam obrabotki [Evolution of the structure of the surface layer of steel subjected to electron-ionplasma processing methods]. Koval’N.N., Ivanov Yu.F. eds. Tomsk: Izd-vo NTL, 2016, 303 p. (In Russ.).Ivanov Y., Krysina O., Petrikova E., Ivanova O., Ikonnikova I., Rygina M. Numerical Simulation of Thermal Processes Involved in Surface Alloying of Aluminum with Titanium by an Intense Pulsed Electron Beam // Key Engineering Materials. 2016. Vol. 683. No. 2. P. 569 – 575.Ivanov Y., Krysina O., Petrikova E., Ivanova O., Ikonnikova I., Rygina M. Numerical simulation of thermal processes involved in surface alloying of aluminum with titanium by an intense pulsed electron beam. Key Engineering Materials. 2016, vol. 683, no. 2, pp. 569–575.Физические величины: Справочник / А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина, А.М. Братковский и др.; под ред. И.С. Григорьева, Е.Э. Мейлихова. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 1232 с.Babichev A.P., Babushkina N.A., Bratkovskii A.M. etc. Fizicheskie velichiny: Spravochnik [Physical Values: Handbook]. Grigor’ev E.E., Meilikhov I.S. eds. Moscow: Energoatomizdat, 1991, 1232 p. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.