Комплексная электронно-ионно-плазменная обработка поверхности стали 40Х

Комплексное легирование, сочетающее в определенной последовательности насыщение поверхностного слоя материала атомами металлов и газов, в настоящее время широко используется в большинстве промышленно развитых стран мира. Настоящая работа посвящена выявлению и анализу закономерностей изменения элементного и фазового состава, дефектной субструктуры, механических (микротвердость) и трибологических (износостойкость и коэффициент трения) свойств легированной углеродистой стали, подвергнутой комплексной обработке, сочетающей насыщение поверхностного слоя образцов атомами алюминия и последующее азотирование. В качестве материала исследования использована сталь 40Х, имеющая в исходном состоянии структуру, представленную зернами феррита и зернами перлита пластинчатой морфологии. Комплексное модифицирование осуществляли в едином вакуумном пространстве на установке «ТРИО» с размерами камеры 600×600×600 мм³, дооснащенной блоком коммутации для реализации элионного (электронного и ионного) режима обработки. Алитирование проводили при температуре 963 К в течение 4 часов. Катод электродугового испарителя был изготовлен из алюминиевого сплава А7 (98,8 % Al). Последующее азотирование алитированного слоя проводили при температуре 803 К в течение 2 часов. Установлено, что в результате комплексной обработки формируется модифицированный слой толщиной до 70 мкм. Показано, что комплексное модифицирование стали сопровождается формированием многофазного субмикро- и наноструктурного состояния, содержащего нитриды алюминия, нитриды и алюминиды железа и хрома. Установлено, что твердость стали максимальна на поверхности модифицирования и превышает твердость исходного материала в три раза. Износостойкость стали в условиях сухого трения после комплексного модифицирования снижается.

1. Faye D.Nd., Dias M., Rojas­Hernandez R.E., Sousa N., Santos L.F., Almeida R.M., Alves E. Structural and optical studies of aluminosilicate films doped with (Tb3+, Er3+)/Yb3+ by ion implantation // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 2019. Vol. 459. P. 71–75. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2019.08.027

2. Kuang X., Li L., Wang L., Li G., Huang K., Xu Y. The effect of N+ ion­implantation on the corrosion resistance of HiPIMS­TiN coatings sealed by ALD­layers // Surface and Coatings Technology. 2019. Vol. 374. P. 72–82. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2019.05.055

3. Vorob’ev V.L., Gilmutdinov F.Z., Bykov P.V., Bayankin V.Ya., Pospelova I.G., Russkikh I.T. Nanoscale layers formed on the surface of a titanium alloy by the ion­beam mixing of carbon with a substrate // Journal of Surface Investigation: X­ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2019. Vol. 13. No. 5. P. 979–984. https://doi.org/10.1134/S1027451019050379

4. Boes J., Röttger A., Becker L., Theisen W. Processing of gas­nitrided AISI 316L steel powder by laser powder bed fusion – Microstructure and properties // Additive Manufacturing. 2019. Vol. 30. Article 100836. https://doi.org/10.1016/j.addma.2019.100836

5. Ren Z., Eppell S., Collins S., Ernst F. Co–Cr–Mo alloys: Improved wear resistance through low­temperature gas­phase nitro­carburization // Surface and Coatings Technology. 2019. Vol. 378. Article 124943. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2019.124943

6. Bobylyov E. Diffusion saturation from fusible liquid metal media solutions by titanium of TK and WC­Co alloys as way to increase of tool durability // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018. Vol. 450. No. 3. Article 032019. https://doi.org/10.1088/1757-899X/450/3/032019

7. Sokolov A.G., Bobylyov E.E. Diffusion saturation by titanium from liquid­metal media as way to increase carbide­tipped tool life // Solid State Phenomena. 2017. Vol. 265. P. 181–186. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/SSP.265.181

8. Sridharan N., Isheim D., Seidman D.N., Babu S.S. Colossal super saturation of oxygen at the iron­aluminum interfaces fabricated using solid state welding // Scripta Materialia. 2017. Vol. 130. P. 196–199. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2016.11.040

9. Barda H., Rabkin E. The role of interface diffusion in solid state dewetting of thin films: The nano­marker experiment // Acta Materialia. 2019. Vol. 177. P. 121–130. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2019.07.042

10. Konusova F., Pavlov S., Lauka A., Tarbokov V., Karpov S., Karpov V., Gadirov R., Kashkarov E., Remnev G. Effect of short­pulsed 200 keV C+ ion beam and continuous 350 keV He2+ ion beam irradiation on optical properties of Al­Si­N coatings with a various Si content // Surface and Coatings Technology. 2020. Vol. 389. P. 125564. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.125564

11. Капуткина Л.М., Медведев М.Г., Прокошкина В.Г., Смарыгина И.В., Свяжин А.Г. Влияние легирование азотом на упрочнение и стабильность аустенита стали типа X18H10 // Известия вузов. Черная металлургия. 2014. Т. 57. № 7. С. 43–50. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2014-7-43-50

12. Рогачев С.О., Стомахин А.Я., Никулин С.А., Кадач М.В., Хаткевич В.М. Cтруктура и механические свойства аустенитных Cr–Ni–Ti сталей после высокотемпературного азотирования // Известия вузов. Черная металлургия. 2019. Т. 62. № 5. С. 366–373. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-5-366-373

13. Гурьев А.М., Иванов С.Г., Гурьев М.А., Черных Е.В., Иванова Т.Г. Химико­термическая обработка материалов для режущего инструмента // Известия вузов. Черная Металлургия. 2015. T. 58. № 8. С. 578–582. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2015-8-578-582

14. Лахтин Ю.М., Арзамасов Б.М. Химико­термическая обработка металлов. М.: Металлургия, 1985. 256 с.

15. Перспективные радиационно­пучковые технологии обработки материалов / Грибков В.А., Григорьев Ф.И., Калин Б.А., Якушин В.Л. М.: Круглый стол, 2001. 528 с.

16. Cherenda N.N., Shymanski V.I., Uglov V.V., Astashinskii V.M., Kuz’mitskii A.M., Koval’ N.N., Ivanov Yu.F., Teresov A.D. Formation of zirconium–titanium solid solutions under the action of compression plasma flows and high­current electron beams // Inorganic Materials: Applied Research. 2012. Vol. 3. No. 5. P. 365–370. https://doi.org/10.1134/S2075113312050024

17. Ivanov Yu.F., Akhmadeev Yu.H., Lopatin I.V, Petrikova E.A., Denisova Yu.A., Teresov A.D., Krysina O.V. Complex beam­plasma surface treatment of high­chromium steel // Journal of Physics: Conference Series. 2018. Vol. 1115. No. 3. Article 032031. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1115/3/032031

18. Devyatkov V.N., Ivanov Yu.F., Krysina O.V., Koval N.N., Petrikova E.A., Shugurov V.V. Equipment and processes of vacuum electron­ion plasma surface engineering // Vacuum. 2017. Vol. 143. P. 464–472. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2017.04.016

19. Полетика И.М., Крылова Т.А., Тетюцкая М.В. Структура и свойства наплавленных покрытий с наноструктурированным поверхностным слоем // Известия вузов. Черная Металлургия. 2014 Т. 57. № 10. С. 51–57. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2014-10-51-57

20. Марков А.Б., Яковлев Е.В., Шепель Д.А., Соловьев А.В., Петров В.И. Электронно­пучковый синтез поверхностного сплава путем облучения многослойного Ni­Al­покрытия // Известия вузов. Физика. 2019. Т. 62. № 7. C. 191–198. https://doi.org/10.17223/00213411/62/7/191

21. Markov A., Yakovlev E., Shepel’ D., Bestetti M. Synthesis of a Cr­Cu surface alloy using a low­energy high­current electron beam // Results in Physics. 2019. Vol. 12. P. 1915–1924. https://doi.org/10.1016/j.rinp.2019.02.010

22. Коваль Н.Н., Иванов Ю.Ф. Комплексная электронно­ионноплазменная обработка поверхности алюминия в едином вакуумном цикле // Известия вузов. Физика. 2019. № 7. С. 59–68. https://doi.org/10.17223/00213411/62/7/59

23. Коваль Н.Н., Иванов Ю.Ф., Девятков В.Н., Шугуров В.В., Тересов А.Д., Петрикова Е.А. Развитие комплексного электроноионно­плазменного метода модификации поверхности материалов и изделий // Известия вузов. Физика. 2020. Т. 63. № 1. С. 174–183. https://doi.org/10.17223/00213411/63/10/174

24. Тушинский Л.И., Батаев А.А., Тихомирова Л.Б. Структура перлита и конструктивная прочность стали. Новосибирск: ВО Наука, 1993. 280 с.

25. Счастливцев В.М., Мирзаев Д.А., Яковлева И.Л., Окишев К.Ю., Табатчикова Т.И., Хлебникова Ю.В. Перлит в углеродистых сталях. Екатеринбург: УрО РАН, 2006. 312 с.