Obrabotka Metallov 2015 No. 3

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ № 3 (68) 2015 102 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ а б Рис. 2. Микроструктура поверхностного слоя вы- сокохромистой стали 40Х13, обработанной ионами азота при 670 К ( а ) и 770 К ( б ) приводит к увеличению глубины азотированного слоя до 30...35 мкм. В слое регистрируется при- сутствие частиц нитрида хрома CrN и матрич- ной a – фазы (рис. 1, в ). Дифракционные линии a – фазы у обработанной при 770 К стали сильно сужаются, а слой внутреннего азотирования не регистрируется, что указывает на глубокий рас- пад пересыщенного азотом матричного твердо- го раствора ( a N –мартенсита). Микротвердость слоя составляет 1200 HV 0,02. На рис. 3 приведены схемы строения диф- фузионных зон высокохромистой стали 40Х13, прошедшей ионную имплантацию азотом при 670 и 770 К. Результаты рентгеновской тензо- метрии свидетельствуют о наличии сильных сжимающих напряжений в поверхностном слое модифицированных азотом сталей. Расчетные значения напряжений в поверхностном слое ста- ли 40Х13 составляли: s j = –780 МПа для Т импл = = 670 К и s j = –440 МПа для Т импл = 770 К. Высокий уровень сжимающих напряжений, действующих в модифицированном ионами азота поверхностном слое после обработки при 670 К, обусловлен большой концентрацией азо- та в матричной a -фазе. В результате высокотем- пературного азотирования при 770 К из-за рас- пада азотистого мартенсита и выделения частиц CrN концентрация азота в матричной a -фазе резко падает, и различие удельных атомных объ- емов матричной фазы в азотированном слое и подложке уменьшается. Последнее приводит к снижению уровня действующих в слое напряже- ний сжатия. Результаты циклических испытаний. На рис. 4 в координатах s a –lgN приведены кривые усталости для стали 40Х13 в исходном неим- плантированном состоянии, а также после об- работки ионами азота при 670 и 770 К. Можно видеть, что ионно-лучевое азотирование зака- ленной стали 40Х13 приводит к существенно- му повышению усталостной долговечности в области многоцикловой усталости. Интересно отметить, что наибольшее увеличение цикличе- ской долговечности зарегистрировано для слу- чая ионной обработки при 670 К. В частности, при напряжениях испытаний 850 МПа число ци- клов до разрушения обработанной ионами азота при 670 К стали 40Х13 возрастает в ≈10 раз по сравнению с исходной необработанной сталью. При этом предел выносливости (база испыта- ний 5· 10 6 циклов) увеличивается от 700 МПа ( е a = 0,35 %) для закаленной неимплантирован- ной стали 40Х13 до 850 МПа ( е a = 0,43 %) для стали 40Х13, обработанной ионами азота при 670 К. Поскольку этому же режиму ионной об- работки отвечает и наибольший уровень оста- точных сжимающих напряжений, действующих в поверхностных слоях, то можно полагать, что именно с действием этого фактора связано уве- личение сопротивления усталостному разруше- нию ионно-модифицированных азотом сталей. Возрастание амплитуды циклических деформа- ций сопровождается сближением кривых уста- а б Рис. 3. Строение диффузионной зоны высокохроми- стой мартенситной стали типа 40Х13, прошедшей ионную имплантацию азотом: а – 670 К; б – 770 К