blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2020-7-539-547blackmet-1944Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEЖидкофазное борирование высокохромистой сталиLiquid-phase boriding of high-chromium steelИвановЮ. Ф.IvanovYu. F.

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

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

Dr. Sci. (Phys.–Math.), Professor, Chief Researcher

SB RAS, Tomsk

yufi55@mail.ruГромовВ. Е.GromovV. E.

д.ф.-м.н., профессор, заведующий кафедрой естественнонаучных дисциплин им. В.М. Финкеля

654007, Россия, Кемеровская обл. - Кузбасс, Новокузнецк, ул. Кирова, 42

Dr. Sci. (Phys.–Math.), Professor, Head of the Chair of Science named after V.M. Finkel’

Novokuznetsk, Kemerovo Region - Kuzbass

gromov@physics.sibsiu.ruРомановД. А.RomanovD. A.

д.т.н., старший научный сотрудник

654007, Россия, Кемеровская обл. – Кузбасс, Новокузнецк, ул. Кирова, 42

Dr. Sci. (Phys.–Math.), Senior Researcher

Novokuznetsk, Kemerovo Region - Kuzbass

romanov_da@physics.sibsiu.ruИвановаО. В.IvanovaO. V

к.ф.-м.н., доцент кафедры высшей математике ТГАСУ

634003, Россия, Томск, пл. Соляная, 2

Cand. Sci. (Phys.–Math.), Assist. Professor of the Chair of Advanced Mathematics

 

dekanat_oof@tsuab.ruТересовА. Д.TeresovA. D.

ведущий электроник лаборатории низкотемпературной плазмы

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

Leading Electronic Engineer of the Laboratory of Lowtemperature Plasma

Institute of High Current Electronics, SB RAS, Tomsk

tad514@yandex.ruИнститут сильноточной электроники СО РАНРоссияInstitute of High Current ElectronicsRussian FederationСибирский государственный индустриальный университетРоссияSiberian State Industrial UniversityRussian FederationТомский государственный архитектурно-строительный университетРоссияTomsk State University of Architecture and BuildingRussian Federation202005102020637539547Copyright © Иванов Ю.Ф., Громов В.Е., Романов Д.А., Иванова О.В., Тересов А.Д., 20202020Иванов Ю.Ф., Громов В.Е., Романов Д.А., Иванова О.В., Тересов А.Д.Ivanov Y.F., Gromov V.E., Romanov D.A., Ivanova O.V., Teresov A.D.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/1944

Методами современного физического материаловедения выполнен анализ структурно-фазовых состояний и трибологических свойств стали 12Х18Н10Т, подвергнутой электровзрывному легированию титаном и бором и последующей электронно-пучковой обработке в различных режимах по плотности энергии пучка электронов и длительности импульса воздействия. Установлено, что электровзрывное легирование стали титаном и бором приводит к формированию поверхностного слоя с многофазной субмикро-нанокристаллической структурой, характеризующейся наличием микропор, микротрещин и микрократеров. Комплексная обработка, сочетающая электровзрывное легирование и последующее облучение высокоинтенсивным импульсным электронным пучком, приводит к формированию многофазного субмикроанокристаллического поверхностного слоя толщиной до 60 мкм. Показано, что фазовый состав поверхностного слоя стали определяется соотношением масс титана и бора при электровзрывном легировании. Микротвердость модифицированного слоя определяется относительной массовой долей боридов титана в поверхностном слое и может более чем в 18 раз превышать микротвердость стали в исходном (перед электровзрывным легированием) состоянии. Определены режимы комплексной обработки, при которых формируется поверхностный слой, содержащий исключительно бориды титана и интерметаллиды на основе титана и железа. Максимальное (примерно 82 % (по массе)) содержание боридов титана наблюдается при обработке стали по режиму с наибольшей массой порошка бора в навеске (mB = 87,5 мг; mTi /mB = 5,202). При уменьшении массы порошка бора относительное содержание боридов в поверхностном слое стали снижается. Установлено, что комплексная обработка стали сопровождается повышением микротвердости поверхностного слоя в семь раз, износостойкость стали увеличивается более чем в девять раз.

Using the methods of modern physical materials science, structuralphase states and tribological properties of 12Kh18N10T steel, subjected to electroexplosive alloying with titanium and boron and subsequent electron-beam processing in various modes depending on electron beam energy density, exposure pulse duration and their quantity have been analyzed. It has been established that electroexplosive alloying of steel with titanium and boron leads to formation of surface layer with multiphase submicro-nanocrystalline structure, characterized by presence of micropores, microcracks, and microcraters. Complex processing, combining electroexplosive alloying and subsequent irradiation with high-intensity pulsed electron beam, leads to formation of 60 μm thick multiphase submicro-nanocrystalline surface layer. It is shown that phase composition of surface layer of steel is determined by mass ratio of titanium and boron during electroexplosive alloying. Microhardness of modified layer is defined by relative mass fraction of titanium borides in surface layer and can be more than 18 times higher than microhardness of steel in its initial state (before electroexplosive alloying). Modes of complex processing have been determined at which surface layer containing exclusively titanium borides and intermetallic compounds based on titanium and iron is formed. The maximum (approximately 82 % by weight) titanium boride content is observed when steel is processed at regime with the highest mass of boron powder in the sample (mB = 87.5 mg; mTi /mB = 5.202). With decrease in mass of boron powder, relative content of borides in surface layer of steel decreases. It was found that integrated processing of steel is accompanied by sevenfold increase in microhardness of surface layer, wear resistance of steel increases by more than nine times.

высокохромистая нержавеющая стальбортитанэлектровзрывное легированиеинтенсивный импульсный электронный пучокструктурасвойстваhigh-chromium stainless steelborontitaniumelectric explosive alloyingintense pulsed electron beamstructurepropertiesReferencesShulga A.V. A comparative study of the mechanical properties and the behavior of carbon and boron in stainless steel cladding tubes fabricated by PM HIP and traditional technologies // Journal of Nuclear Materials. 2013. Vol. 434. No. 1-3. P. 133 – 140.Shulga A.V. A comparative study of the mechanical properties and the behavior of carbon and boron in stainless steel cladding tubes fabricated by PM HIP and traditional technologies. Journal of Nuclear Materials. 2013, vol. 434, no. 1-3, pp. 133–140.Sude Ma, Jianjun Zhang. Wear resistant high boron cast alloy – A Review // Reviews on Advanced Material Science. 2016. Vol. 44. No. 1. Р. 54 – 62.Sude Ma, Jianjun Zhang. Wear resistant high boron cast alloy – A Review. Reviews on Advanced Material Science. 2016, vol. 44, no. 1, pp. 54–62.Zhang J., Gao Y., Xing J., Ma S., Yi D., Liu L., Yan J. Effects of plastic deformation and heat treatment on microstructure and properties of high boron cast steel // Journal of Materials Engineering and Performance. 2011. Vol. 20. No. 9. P. 1658 – 1664.Zhang J., Gao Y., Xing J., Ma S., Yi D., Liu L., Yan J. Effects of plastic deformation and heat treatment on microstructure and properties of high boron cast steel. Journal of Materials Engineering and Performance. 2011, vol. 20, no. 9, pp. 1658–1664.Saha R., Ray R.K. Development of texture, microstructure, and grain boundary character distribution in a high-strength boronadded interstitial-free steel after severe cold rolling and annealing // Metall. Mater. Trans. A. 2009. Vol. 40. No. 9. P. 2160 – 2170.Saha R., Ray R.K. Development of texture, microstructure, and grain boundary character distribution in a high-strength boronadded interstitial-free steel after severe cold rolling and annealing. Metallurgical and Materials Transactions A: Physical Metallurgy and Materials Science. 2009, vol. 40, no. 9, pp. 2160–2170.Saha R., Ray R.K. Microstructural and textural changes in a severely cold rolled boron-added interstitial-free steel // Scripta Materialia. 2007. Vol. 57. No. 3. P. 841 – 844.Saha R., Ray R.K. Microstructural and textural changes in a severely cold rolled boron-added interstitial-free steel. Scripta Materialia. 2007, vol. 57, no. 3, pp. 841–844.He L., Liu Y., Li J., Li B.H. Effects of hot rolling and titanium content on the microstructure and mechanical properties of high boron Fe–B alloys // Materials and Design. 2012. Vol. 36. No. 4. Р. 88 – 93.He L., Liu Y., Li J., Li B.H. Effects of hot rolling and titanium content on the microstructure and mechanical properties of high boron Fe–B alloys. Materials and Design. 2012, vol. 36, no. 4, pp. 88–93.Liu Y., Li B.H., Li J., He L., Gao S.J., Nieh T.G. Effect of titanium on the ductilization of Fe–B alloys with high boron content // Materials Letters. 2010. Vol. 64. No. 11. Р. 1299 – 1301.Liu Y., Li B.H., Li J., He L., Gao S.J., Nieh T.G. Effect of titanium on the ductilization of Fe–B alloys with high boron content. Materials Letters. 2010, vol. 64, no. 11, pp. 1299–1301.Бор. Его соединения и сплавы / Г.В. Самсонов, Л.Я. Марковский, А.Ф. Жигач, М.Г. Валяшко; под общ. ред. Г.В. Самсонова. – Киев: Изд-во АН Украинской ССР, 1960. – 591 с.Samsonov G.V., Markovskii L.Ya., Zhigach A.F., Valyashko M.G. Bor. Ego soedineniya i splavy [Boron. Its compounds and alloys]. Samsonov G.V. ed. Kiev: Izd-vo AN Ukrainskoi SSR, 1960, 591 p. (In Russ.).Ren X., Fu H., Xing J., Yi Y. Effect of solidification rate on microstructure and toughness of Ca–Ti modified high boron high speed steel // Material Science and Engineering A. 2019. Vol. 742. P. 617 – 627.Ren X., Fu H., Xing J., Yi Y. Effect of solidification rate on microstructure and toughness of Ca–Ti modified high boron high speed steel. Material Science and Engineering A. 2019, vol. 742, pp. 617–627.Перспективные радиационно-пучковые технологии обработки материалов. Учебник / В.А. Грибков, Ф.И. Григорьев, Б.А. Калин, В.Л. Якушин. – М.: Круглый стол, 2001. – 527 с.Gribkov V.A., Grigor'ev F.I., Kalin B.A., Yakushin V.L. Perspektivnye radiatsionno-puchkovye tekhnologii obrabotki materialov. Uchebnik [Promising radiation-beam technologies for materials processing. Textbook]. Moscow: Kruglyi stol, 2001, 527 p. (In Russ.).Коваль Н.Н., Иванов Ю.Ф. Наноструктурирование поверхности металлокерамических и керамических материалов при импульсной электронно-пучковой обработке // Изв. вуз. Физика. 2008. № 5. С. 60 – 70.Koval’ N.N., Ivanov Yu.F. Nanostructuring of the surface of ceramic-metal and ceramic materials at pulsed electron-beam processing. Izv. vuz. Fizika. 2008, no. 5, pp. 60–70. (In Russ.).Surface modification and alloying: by laser, ion, and electron beams / Eds. J.M. Poate, G. Foti, D.C. Jacobson. – New York and London: Plenum Press., 1983. – 414 p.Poate J.M., Foti G., Jacobson D.C. Surface Modification and Alloying: By Laser, Ion, and Electron Beams. Springer, 1983, 414 p. (Russ. ed.: Poate J.M., Foti G., Jacobson D.C. Modifikatsiya i legirovanie poverkhnosti lazernymi, ionnymi i elektronnymi puchkami. Moscow: Mashinostroenie, 1987, 424 p.).Сильноточные электронные импульсные пучки для авиационного двигателестроения / В.А. Шулов, А.Г. Пайкин, А.С. Новиков и др.; под общ. ред. В.А. Шулова, А.С. Новикова, В.И. Энгелько. – М.: Артек, 2012. – 283 с.Shulov V.A., Paikin A.G., Novikov A.S. etc. Sil’notochnye elektronnye impul’snye puchki dlya aviatsionnogo dvigatelestroeniya [Highcurrent electronic pulsed beams for aircraft engines]. Shulov V.A., Novikov A.S., Engel’ko V.I. eds. Moscow: Artek, 2012, 283 p. (In Russ.).Ионно-лучевая и ионно-плазменная модификация материалов / К.К. Кадыржанов, Ф.Ф. Комаров, А.Д. Погребняк и др. – М.: Изд-во МГУ, 2005. – 640 с.Kadyrzhanov K.K., Komarov F.F., Pogrebnyak A.D. etc. Ionnoluchevaya i ionno-plazmennaya modifikatsiya materialov [Ion-beam and ion-plasma modification of materials]. Moscow: Izd-vo MGU, 2005, 640 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 flows]. Minsk: izd. BGU, 2013, 248 p. (In Russ.).Основы технологии обработки поверхности материалов импульсной гетерогенной плазмой / Е.А. Будовских, Е.В. Мартусевич, П.С. Носарев, В.Е. Громов, В.Д. Сарычев. – Новокузнецк: изд. СибГИУ, 2002. – 170 с.Budovskikh E.A., Martusevich E.V., Nosarev P.S., Gromov V.E., Sarychev V.D. Osnovy tekhnologii obrabotki poverkhnosti materialov impul’snoi geterogennoi plazmoi [Theoretical fundamentals of materials surface treatment by pulsed heterogeneous plasma]. Novokuznetsk: izd. SibGIU, 2002, 170 p. (In Russ.).Физические основы электровзрывного легирования металлов и сплавов / А.Я. Багаутдинов, Е.А. Будовских, Ю.Ф. Иванов, В.Е. Громов. – Новокузнецк: изд. СибГИУ, 2007. – 301 с.Bagautdinov A.Ya., Budovskikh E.A., Ivanov Yu.F., Gromov V.E. Fizicheskie osnovy elektrovzryvnogo legirovaniya metallov i splavov [Physical fundamentals of electroexplosive alloying of metals and alloys]. Novokuznetsk: izd. SibGIU, 2007, 301 p. (In Russ.).Konovalov S., Gromov V., Ivanov Yu. Multilayer structure of Al–Si alloy after electro-explosion alloying with yttrium oxide powder // Material Research Express. 2018. Vol. 5. No. 11. No. Art. 116520.Konovalov S., Gromov V., Ivanov Yu. Multilayer structure of Al–Si alloy after electro-explosion alloying with yttrium oxide powder. Material Research Express. 2018, vol. 5, no. 11, no. article 116520.Романов Д.А., Громов В.Е., Будовских Е.А., Иванов Ю.Ф. Закономерности формирования структурно-фазовых состояний на поверхности металлов и сплавов при электровзрывном легировании // Успехи физики металлов. 2015. Т. 16. № 2. С. 119 – 157.Romanov D.A., Gromov V.E., Budovskikh E.A., Ivanov Yu.F. Regularities of structural phase states formation on surface of metals and alloys during electroexplosive alloying. Uspekhi fiziki metallov. 2015, vol. 16, no. 2, pp. 119–157. (In Russ.).Структура, фазовый состав и свойства поверхностных слоев титановых сплавов после электровзрывного легирования и электронно-пучковой обработки / Под ред. В.Е. Громова, Ю.Ф. Иванова, Е.А. Будовских. – Новокузнецк: Интер-Кузбасс, 2012. – 435 с.Struktura, fazovyi sostav i svoistva poverkhnostnykh sloev titanovykh splavov posle elektrovzryvnogo legirovaniya i elektronnopuchkovoi obrabotki [Structure, phase composition and properties of surface layers of titanium alloys after electroexplosive alloying and electron-beam processing]. Gromov V.E., Ivanov Yu.F., Budovskikh E.A. eds. Novokuznetsk: Inter-Kuzbass, 2012, 435 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.).Rotshtein V., Ivanov Yu., Markov A. Surface treatment of materials with low-energy, high-current electron beams. – In: Materials Surface Processing by Directed Energy Techniques / Ed. Y. Pauleau. – Elsevier Inc., 2006. P. 205 – 240.Rotshtein V., Ivanov Yu., Markov A. Surface treatment of materials with low-energy, high-current electron beams. In: Materials Surface Processing by Directed Energy Techniques. Pauleau Y. ed. Elsevier, 2006, pp. 205–240.Сканирующая электронная микроскопия и рентгеноспектральный анализ в примерах практического применения / М.М. Криштал, И.С. Ясников, В.И. Полунин, А.М. Филатов, А.Г. Ульяненков; под общ. ред. М.М. Криштала. – М.: Техносфера, 2009. – 208 с.Krishtal M.M., Yasnikov I.S., Polunin V.I., Filatov A.M., Ul’yanenkov A.G. Skaniruyushchaya elektronnaya mikroskopiya i rentgenospektral’nyi analiz v primerakh prakticheskogo primeneniya [Scanning electron microscopy and X-ray spectral analysis in practice]. Krishtal M.M. ed. Moscow: Tekhnosfera, 2009, 208 p. (In Russ.).Диаграммы состояния двойных металлических систем. Справочник. В 3 т. Т. 1. / Под общ. ред. Н.П. Лякишева. – М.: Машиностроение, 1996. – 992 с.Diagrammy sostoyaniya dvoinykh metallicheskikh sistem: Spravochnik. V 3 t. T. 1. [State diagrams of double metal systems: Reference book. In 3 vols. Vol. 1]. Lyakishev N.P. ed. Moscow: Mashinostroenie, 1996, 992 p. (In Russ.).Утевский Л.М. Дифракционная электронная микроскопия в металловедении. – М.: Металлургия, 1973. – 584 с.Utevskii L.M. Difraktsionnaya elektronnaya mikroskopiya v metallovedenii [Diffraction electron microscopy in metal science]. Moscow: Metallurgiya, 1973, 584 p. (In Russ.).Tomas G., Goringe M.J. Transmission electron microscopy of materials. – New York: Jons Willey & Sons, 1979. – 318 p.Tomas G., Goringe M.J. Transmission Electron Microscopy of Materials. New York: Jons Willey & Sons, 1979, 318 p.Andrews K.W., Dyson D.J., Keown S.R. Interpretation of electron diffraction patterns. – London, 1968. – 256 p.Andrews K.W., Dyson D.J., Keown S.R. Interpretation of Electron Diffraction Patterns. London, 1968, 256 p.Kumar C.S.S.R. (Ed.) Transmission electron microscopy characterization of nanomaterials. – New York: Springer, 2014. – 717 p.Transmission Electron Microscopy Characterization of Nanomaterials. Kumar C.S.S.R. ed. New York: Springer, 2014, 717 p.Barry Carter C., David B.W. Transmission electron microscopy. – Berlin: Springer International Publishing, 2016. – 518 p.Barry Carter C., David B.W. Transmission Electron Microscopy. Berlin: Springer International Publishing, 2016, 518 p.Egerton R.F. Physical principles of electron microscopy. – Berlin: Springer, 2016. – 196 p.Egerton R.F. Physical Principles of Electron Microscopy. Berlin: Springer, 2016, 196 p.

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