Obrabotka Metallov 2015 No. 3

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ № 3 (68) 2015 100 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ эффективность использования метода ионно- лучевого азотирования для повышения вынос- ливости сталей и сплавов, а также особенности усталостного разрушения материалов, подвер- гнутых обработке ионами азота, изучены недо- статочно. В связи с этим представляет интерес исследование влияния ионно-лучевого азотиро- вания на циклическую долговечность высоко- хромистой стали мартенситного класса 40Х13, широко используемой для изготовления режу- щего и мерительного инструмента, пружин, кла- панных пластин и других деталей, работающих в агрессивных средах [9]. Материал и методика исследования Исследование проводилось на пластинчатых образцах, изготовленных из листового проката стали 40Х13 (ГОСТ 5582–75). Ионно-лучевая обработка образцов проводилась на ускорителе ионов, оснащенном источником с замкнутым дрейфом электронов УВН–2М, разработанном в ФТИ НАН Беларуси [10]. Энергия ионов азо- та составляла 1...3 кэВ и плотность ионного тока 2 мА/см 2 . Флюенс легирования составлял ~3· 10 19  см –2 . Температура образцов в процессе ионно-лучевой обработки поддерживалась на уровне 670 и 770 К. Испытания на циклическую долговечность осуществлялись на установке УИП-2 по методу симметричного поперечного изгиба консольно закрепленных пластинчатых образцов (ГОСТ 23026–78) с размерами рабочей части 55×15×2,2 мм. Амплитуда циклических де- формаций составляла е а = 0,32...0,59 %, что соот- ветствовало напряжениям s а = 600...1100 МПа. Исследование структурного состояния и фазового состава исследуемых образцов стали 40Х13 проводилось с использованием рентгено- структурного анализа на дифрактометре ДРОН- 3.0 в монохроматизированном CoK a излучении. Съемка образцов осуществлялась при ускоряю- щем напряжении 30 кВ и анодном токе 10 мА. Запись интенсивности рассеянного рентгенов- ского излучения проводилась в режиме сканиро- вания (по точкам) с фиксированным временем счета 15 с на точку. Шаг сканирования состав- лял 0,1°. Фазовый анализ проводился с исполь- зованием стандартной базы данных PDF. Для определения напряжений в поверхностных слоях применялся метод рентгеновской тензо- метрии, основанный на использовании способа наклонной съемки [11]. Расчет напряжений в на- правлении продольной оси модифицированного азотом пластинчатого образца проводился по формуле 0 2 0 1 1 sin d d E d y j - s = + m y , где E – модуль упругости; m – коэффициент Пу- ассона; ψ – угол наклона; d y – межплоскостное расстояние для дифракционной линии (220) матричной a -фазы, снятой под углом y = 50 ° , d 0 – межплоскостное расстояние для дифракци- онной линии (220), снятой под углом y = 0 ° . При расчете s j для азотированного слоя стали 40Х13 использовались следующие упругие константы: Е = 210 ГПа, m = 0,3. Твердость по Виккерсу определялась при нагрузке 295 Н (30 кгс). Ми- кротвердость измерялась при нагрузке 0,196 Н (20 гс) на приборе ПМТ–3. Результаты и обсуждение Структура и фазовый состав стали 40Х13. На рис. 1 представлены фрагменты рентгенов- ских дифрактограмм от поверхностных слоев образцов стали 40Х13 в исходном закаленном состоянии, а также после ионно-лучевого азо- тирования при различных температурах. Струк- турные параметры модифицированных азотом слоев, а также их микротвердость и фазовый со- став приведены в таблице. На рис. 2 а, б изобра- жена микроструктура азотированных слоев. Из представленных данных можно видеть, что в ре- зультате ионно-лучевой обработки стали 40Х13 при 670 К на поверхности образуется модифи- цированный азотом слой толщиной 12...15 мкм, имеющий микротвердость ≈1700 HV 0,02. Фазовый состав слоя включает в себя нитриды e –(Fe,Cr) 2–3 N и g′ –(Fe,Cr) 4 N, азотистый мартен- сит a N , а также фазу a ″– (Fe,Cr) 8 N, которая фор- мируется на базе азотистого мартенсита и отли- чается от него упорядоченным расположением азота в кристаллической решетке a -фазы [12]. Кроме этого на дифрактограмме присутствуют дифракционные линии ( a -фаза) от неазотиро- ванной стальной подложки. Повышенная твер- дость азотированного слоя обусловлена высокой легированностью нитридных фаз атомами хро- ма. Ионно-лучевая обработка стали при 770 К