Влияние ионно-плазменной и электронно-лучевой обработки на свойства слоев стали 40Х

Развитие промышленности требует создания деталей с поверхностными слоями, обладающими комплексом заданных свойств. С этой точки зрения представляют интерес технологические процессы, связанные с локальным высокоэнергетическим воздействием на упрочняемую поверхность.

К наиболее распространенным методам поверхностной обработки применительно к конструкционным материалам можно отнести лазерное, электронно-лучевое, электроискровое и ионно-плазменное азотирование. Одним из путей существенного повышения свойств поверхностей является использование комбинированных методов обработки. При этом сложение двух видов обработки, как правило, обеспечивает появление новых эффектов, не принадлежащих каждому отдельному способу.

Сталь 40Х обладает высокими эксплуатационными свойствами и широко используется в промышленности для изготовления деталей автомобилей, станков и другого оборудования.

Для исследования по модифицированию поверхностных слоев из стали 40Х в состоянии поставки были изготовлены экспериментальные образцы, которые подвергали улучшению: закалке от температуры 860⁰С в воду и отпуску при 600⁰С. После объемной термообработки проводили поверхностное упрочнение образцов путем ионно-плазменного азотирования с последующей электронно-лучевой закалкой.

Ионно-плазменное азотирование (ИПА) стали 40Х осуществляли на установке AP‑63 при температуре 530 0C в течение 13 часов в среде азота, водорода и аргона.

Электронно-лучевую закалку (ЭЛЗ) образцов выполняли на оборудовании, созданном в ФТИ НАН Беларуси на базе энергоблока «ЭЛА‑15» производства Сумского ПО «Сэлми» и вакуумного откачного поста «ЭЛУ‑9 Б».

Параметры обработки были следующие:

• ускоряющее напряжение – 60 кВ;
• ток луча – 12 мА;
• скорость перемещения луча – 10 мм/c.

Для изучения структуры образцы подвергали шлифовке, полировке и травлению. В качестве травителя использовали 4 % раствор HNO3 в этиловом спирте. Исследования микроструктуры проводили на оптическом металлографическом микроскопе ММР с цифровой камерой ТКМ и оптическом микроскопе «Микро 200–01».

Было исследовано распределение микротвердости на поперечных шлифах образцов после упрочнения с помощью прибора «ПМТ‑3». Нагрузка на индентор составляла 100 г.

Сталь 40Х в исходном состоянии имеет структуру пластинчатого перлита с ферритной сеткой по границам зерен. Микроструктуру стали после закалки и отпуска при температуре 600⁰С можно охарактеризовать как сорбит отпуска.

Микроструктура образцов из стали 40Х после электронно-лучевой закалки мелкодис­персная и представляет собой мартенсит закалки с включениями карбидов.

После ИПА азотированный слой состоит из диффузионной зоны толщиной 0,4–0,5 мм, представляющей собой твердый раствор азота в β-железе с дисперсными включениями нитридов железа и хрома. Сплошной нитридный слой на поверхности не образуется.

Структуру стали 40Х после комбинированного ионно-плазменного и электронно-лучевого воздействия можно охарактеризовать как мартенсит закалки с включениями карбидов и дисперсных нитридов, не различимых в оптическом микроскопе.

Комбинированное высокоэнергетическое воздействие приводит к повышению микротвердости поверхностного слоя по сравнению с обработкой одним из рассматриваемых методов. Так, глубина упрочненной зоны после ИПА составила 0,4 мм, максимальная микротвердость – 4,7 ГПа. Микротвердость поверхностного слоя стали 40Х, подвергнутой объемной термообработке и последующей закалке электронным лучом, составила 6,8 ГПа, глубина закаленной зоны – 1,1 мм.

В результате комбинированной ионно-плазменной и электронно-лучевой обработки микротвердость образцов возросла до 8,7 ГПа, при этом толщина упрочненного слоя осталась равной 1,1 мм. Увеличение микротвердости стали по сравнению с закалкой электронным лучом, особенно на расстоянии до 0,5 мм от поверхности образца, можно объяснить выделением в процессе комбинированной обработки дисперсных нитридов. Образованию нитридных фаз способствует предварительное насыщение поверхности образца азотом при ионно-плазменном азотировании.

Таким образом, исследование микроструктуры и распределения микротвердости по глубине модифицированных слоев в образцах из стали 40Х показало, что комбинированное ионно-плазменное и электронно-лучевое воздействие позволяет получать упрочненные слои толщиной до 1,1 мм с микротвердостью 7,5–8,7 ГПа. Это на 3–4 ГПа больше, чем после ионно-плазменного азотирования, и на 1–2 ГПа больше, чем после электронно-лучевой закалки.

По материалам доклада С. В. Юревича, И. Л. Поболя, И. Г. Олешука, сотрудников Физико-технического института НАН Беларуси