Obrabotka Metallov. 2017 no. 2(75)

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ № 2 (75) 2017 56 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Введение Азотирование позволяет эффективно повы- шать твердость, износостойкость, усталостную прочность и коррозионную стойкость термиче- ски неупрочняемых аустенитных хромоникеле- вых сталей [1], которые находят широкое при- менение в нефтегазовой, химической и других отраслях промышленности. Скорость роста упрочненных слоев опреде- ляется не только плотностью потока активных частиц (молекул и атомов азота в возбужденном и ионизованном состоянии), поступающих на поверхность азотируемых изделий, но и скоро- стью диффузии атомарного азота в объем мате- риала, зависящей от температуры, элементного и фазового состава материала, а также от спосо- ба предварительной обработки поверхности [2]. Высокие концентрации активных частиц азо- та могут быть достигнуты в результате повыше- ния интенсивности плазмохимических процес- сов при генерации плазмы с высокой плотностью заряженных частиц. Одним из способов генера- ции плазмы с плотностью 10 9 …10 12 см –3 являет- ся применение низкоэнергетического (до 1 кэВ) электронного пучка, который характеризуется меньшим уровнем потерь энергии на нагрев электронов и на возбуждение нейтралов по срав- нению с газовым разрядом [3]. Наряду с эффек- тивной генерацией плазмы электронный пучок может одновременно производить нагрев изде- лий, причем регулированием параметров пучка и отрицательного потенциала погруженных в плазму изделий можно изменять температуру изделий без использования дополнительного внешнего нагрева. Так, применение широкого (80 см 2 ) пучка электронов с энергией до 500 эВ обеспечило высокую (до 6 мА/см 2 ) плотность ионного тока на поверхности аустенитной не- ржавеющей стали и формирование упрочнен- ных слоев толщиной до 33 мкм за один час при давлении газовой смеси 3 Па (Ar:N 2 = 1:1) и тем- пературе обработки 500 °С [4]. К недостаткам ионно-плазменного азотиро- вания можно отнести рост средней величины микронеоднородностей на поверхности нержа- веющей стали, который обусловлен высокой концентрацией внедренного азота и появлением фаз с увеличенным параметром решетки. Это приводит к формированию своеобразной мор- фологии поверхности, на которой наблюдается большое количество дефектов, образованных вследствие пластической деформации сдвига [5, 6]. Величина параметра шероховатости Ra воз- растает с увеличением температуры обработки и может превышать 0,7 мкм [5], что неприемлемо в случае применения азотирования на финиш- ном этапе обработки. Уменьшение исходного размера зерен спо- собствует формированию поверхности с мень- шей шероховатостью. Кардинальное снижение размера зерна нержавеющей стали (c 5…50 мкм до 100 нм) обеспечивается наноструктурирую- щей деформационной обработкой (НДО) поверх- ности методом SMAT (surface mechanical attrition treatment) [7]. Кроме того, нанокристаллические материалы с большой протяженностью межзе- ренных границ обладают повышенными коэф- фициентами диффузии азота [8, 9]. Это позво- ляет увеличить скорость роста азотированного слоя на предварительно наноструктурированной поверхности [10, 11]. В метастабильных сталях НДО приводит также к образованию мартенсит- ной фазы с более высоким коэффициентом диф- фузии азота, чем у плотно упакованной γ-фазы [12]. При этом НДО снижает коэффициент тре- ния и повышает износостойкость азотированной поверхности железа [13]. Практически значимыми способами НДО являются наноструктурирующие фрикционные обработки, обеспечивающие одновременно эф- фективное деформационное упрочнение, повы- шение трибологических свойств аустенитных хромоникелевых сталей и формирование каче- ственных поверхностей с низкой шероховато- стью [14–18]. Таким образом, сочетание НДО методом фрикционной обработки с последую- щим ионно-плазменным азотированием может создать условия для ускоренного формирования упрочненных слоев с большей чем при азотиро- вании без НДО толщиной и твердостью, однако шероховатость поверхности при этом будет за- висеть от режимов плазменного азотирования. В частности, известно, что снижение шерохова- тости азотированной поверхности аустенитной стали, не подвергавшейся НДО, достигается применением метода газоциклического азотиро- вания в плазме электронного пучка [19]. Цель настоящей работы – исследование вли- яния комбинированной обработки, включающей