Жидкофазное борирование высокохромистой стали

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.

1. 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. P. 133 – 140.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. 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.

23. 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.

24. Диаграммы состояния двойных металлических систем. Справочник. В 3 т. Т. 1. / Под общ. ред. Н.П. Лякишева. – М.: Машиностроение, 1996. – 992 с.

25. Утевский Л.М. Дифракционная электронная микроскопия в металловедении. – М.: Металлургия, 1973. – 584 с.

26. Tomas G., Goringe M.J. Transmission electron microscopy of materials. – New York: Jons Willey & Sons, 1979. – 318 p.

27. Andrews K.W., Dyson D.J., Keown S.R. Interpretation of electron diffraction patterns. – London, 1968. – 256 p.

28. Kumar C.S.S.R. (Ed.) Transmission electron microscopy characterization of nanomaterials. – New York: Springer, 2014. – 717 p.

29. Barry Carter C., David B.W. Transmission electron microscopy. – Berlin: Springer International Publishing, 2016. – 518 p.

30. Egerton R.F. Physical principles of electron microscopy. – Berlin: Springer, 2016. – 196 p.