Obrabotka Metallov 2011 No. 3

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ № 3 (52) 2011 70 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Материалы и методы исследования Обработке подвергали образцы стали 45 в отож- женном состоянии цилиндрической формы, диаме- тром 20 и высотой 5 мм. Технологические особенно- сти ЭВЛ рассмотрены в работе [10]. Плазменная струя продуктов взрыва служит как для нагрева поверхно- сти, так и для легирования образующегося расплава. Особенностями струи, которые определяют результа- ты обработки, являются ее многофазный состав, вклю- чающий конденсированные частицы продуктов взры- ва фольги и порошковой навески, вводимой в область взрыва, а также неоднородное строение, обусловлен- ное тем, что конденсированные частицы отстают от плазменного компонента и располагаются преиму- щественно в тылу струи. ЭВЛ позволяет сконцентри- ровать за короткий промежуток времени (100 мкс) высокую плотность мощности (~ 1 ГВт/м 2 ) в тонких (~ 10 мкм) поверхностных слоях материалов и дает возможность провести и оплавление, и легирование без выплеска расплава, развивающегося вследствие неоднородного давления (~ 10 МПа) плазменной струи на облучаемую поверхность. ЭВЛ и ЭПО хо- рошо сочетаются друг с другом. Они имеют сопоста- вимые значения поглощаемой плотности мощности и времени импульса, диаметра и глубины зоны воздей- ствия. Вместе с тем ЭПО не оказывает такого большо- го давления на поверхность, как импульсная плазмен- ная струя продуктов, сформированная из продуктов электрического взрыва проводника. ЭВЛ проводили в режиме, который обеспечивает поглощаемую плотность мощности, равную 8,6 ГВт/м 2 . Взрываемаямеднаяфольга имела толщину 20мкмимас- су 35 мг. В области взрыва размещали порошок аморф- ного бора массой 20 мг. При этом отношение атомных концентраций бора и меди в струе составляло 3,5. Последующую ЭПО поверхности легирова- ния осуществляли на установке «Соло» Института сильноточной электроники СО РАН при следую- щих основных параметрах облучения: поглощаемая плотность мощности пучка электронов q e = 2,0, 2,5 и 3,0 ГВт/м 2 , длительность импульсов τ = 100 мкс; частота их следования f = 0,3 Гц; число импульсов N = 10. Обработку осуществляли в среде аргона при давлении 0,02 Па. Рельеф поверхности образцов после ЭВЛ изуча- ли с помощью оптического интерферометра Zygo NewViewTM 7300 и сканирующего электронного ми- кроскопа Carl Zeiss EVO50. Рентгеноспектральный анализ зоны обработки определяли, используя энер- годисперсионный рентгеновский микроанализатор EDS X-Act, являющийся приставкой сканирующего электронного микроскопа Carl Zeiss EVO50. Рентге- ноструктурный анализ выполняли на дифрактометре ARL X’TRA в медном K α -излучении. Результаты и обсуждение Рентгеноспектральный микроанализ поверхности после комбинированной обработки показал (рис. 1), что она содержит следующие элементы: Fe, Cu, Mn, C, Cr и Si. В таблице представлено относительное со- держание этих элементов в анализируемом объеме. Видно, что содержание меди на поверхности превы- шает 6 %, что соответствует результатам анализа, при- веденным в работе [6]. Рис. 1. Рентгеновский спектр поверхности стали 45, подвергнутой электровзрывному боромеднению и последующей электронно-пучковой обработке при q e = 2,0 ГВт/м 2 , τ = 100 мкс и N = 10 имп. Относительное содержание Fe, Cu, Mn, C, Cr, Si в анализируемом объеме Элемент Весовой % Атомный % C K 0.40 1.7 Si K 0.45 0.82 Cr K 0.29 0.28 Mn K 0.53 0.45 Fe K 92.07 91.71 Cu K 6.26 5.04 Итого 100.00 100 Сканирующая электронная микроскопия показала, что ЭВЛ сопровождается формированием на поверхно- сти структуры, характеризующейся наличием пор, ми- кротрещин, закристаллизовавшихся капель взрываемой фольги и их конгломератов с частицами бора, напыляе- мых на поверхность из тыла струи (рис. 2, а ). При всех выбранных режимах ЭПО сопровождается повсемест- ным плавлением поверхности и объединением покры- тия с нижележащей зоной легирования (рис. 2, б ). Релаксация термических напряжений, возникаю- щих в поверхностном слое в результате импульсного характера обработки, приводит к формированию на по- верхности системы микротрещин, которые разбивают ее на фрагменты с размерами от 30 до 60 мкм (рис. 2, б ). Можно предположить, что трещины развиваются либо по границам ячеек кристаллизации, либо вдоль границ зерен. В некоторых местах поверхности наблюдает- ся залечивание микротрещин, образовавшихся после предыдущего импульса обработки (рис. 2, в , г ). Исследованияшероховатостиповерхностипоказа- ли (рис. 3), что послеЭПОповерхность электровзрыв- ного боромеднения значительно выглаживается.