Научная электронная библиотека ULRICH'S Periodicals Directory

Сибирский государственный университет
науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева

Сибирский аэрокосмический журнал
ISSN 2712-8970 (Print) ISSN 2782-5760 (on-line)

Сведения об образовательной организации

UDK 621.785.53 Doi: 10.31772/2712-8970-2021-22-4-688-699
Формирование структуры, механических и трибологических свойств высокохромистой стали электронно-ионно-плазменным азотированием
Ереско С. П., Иванов Ю. Ф., Петрикова Е. А., Тересов А. Д., Клопотов А. А.
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева, Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31; Институт сильноточной электроники СО РАН, Российская Федерация, 634055, г. Томск, просп. Академический, 2/3; Томский государственный архитектурно-строительный университет, Российская Федерация, 634002, г. Томск, пл. Соляная, 2
Целью настоящей работы является обнаружение закономерностей формирования структуры, механических и трибологических свойств высокохромистой стали, подвергнутой комплексной об-работке, сочетающей облучение импульсным электронным пучком и последующее азотирование в плазме газового разряда низкого давления с использованием плазмогенератора с накаленным катодом «ПИНК». Объектом исследования являлась жаропрочная коррозионностойкая сталь аустенитного класса марки 20Х23Н18. Актуальность и практическая значимость исследований обусловлены сравнительно низким уровнем твердости и износостойкости сталей данного класса, имеющих широкий спектр применения в современной промышленности, в том числе, в ракетно-космической отрасли. Облучение стали 20Х23Н18 импульсным электронным пучком осуществляли на установке «СОЛО», последующее азотирование – на установке «КВИНТА». Показано, что максимальная микротвердость 19 ГПа (превышает твердость стали перед модифицированием в 11,2 раза и твердость стали после облучения электронным пучком в 8 раз) и минимальный пара-метр износа k = 0,710–6 мм3/Нм (меньше параметра износа стали перед модифицированием более чем в 700 раз и меньше параметра износа стали после облучения электронным пучком более чем в 750 раз) наблюдаются на образцах, подвергнутых облучению при плотности энергии пучка электронов 30 Дж/см2, 200 мкс, 3 имп. и последующему азотированию при температуре 793 К в течение 3 ч. Толщина упрочненного слоя составляет 40 мкм. Установлено, что данные образцы имеют в поверхностном слое максимальное (90,6 %) содержание нитридных фаз (нитриды хрома и железа). Установлено, что после азотирования при температуре 723 К в поверхностном слое стали нитриды железа и хрома формируются в виде наноразмерных частиц округлой формы. При температурах азотирования 793 и 873 К в поверхностном слое стали формируется структура пластинчатого типа, образованная чередующимися параллельными друг другу пластинами нитрида железа и нитрида хрома.
Ключевые слова: комплексная обработка, импульсный электронный пучок, плазма газового разряда, высоколегированная сталь, структура, свойства.
References

1.   Ионная химико-термическая обработка сплавов / Б. Н. Арзамасов, А. Г. Братухин, Ю. С. Елисеев, Т. А. Панайоти. М. : МГТУ, 1999. 400 с.

2.   Берлин Е. В., Коваль Н. Н., Сейдман Л. А. Плазменная химико-термическая обработка поверхности стальных деталей. М. : Техносфера, 2012. 464 с.

3.   Эволюция структуры поверхностного слоя стали, подвергнутой электронно-ионно-плазменным методам обработки / Н. Н. Коваль, Ю. Ф. Иванова и др. Томск : НТЛ, 2016. 304 с.

4.   Lie Sh., Liang W., Yizuo W., Chunhua W. Plasma nitriding of AISI 304 austenitic stainless steel with pre-shot penning // Surface and Coatings Technology. 2010. Vol. 204, No. 20,P. 3222–3227.

5.   Mirjani M., Shafyei A., Ashrafizadeh F. Plasma and gaseous nitrocarburizing of C60W steel for tribological applications // Vacuum. 2009. Vol. 83, No. 7, P. 1043–1048.

6.   Meletis E. I. Intensified plasma-assisted processing: science and engineering // Surface and Coatings Technology // Surface and Coatings Technology. 2002. Vol. 149, No. 2-3, P. 95–113.

7.   Wei R., Benn C. R., Cooper C. V. High Intensity Plasma Ion Nitriding of AerMet 100 Martensitic Steel // Plasma Process. Polym. 2007. Vol. 4, No. 1, P. 700–706.

8.   A new high-temperature plasma immersion ion implantation system with electron heating / R. M. Oliveira, J. A. N. Goncalves, M. et al. Ueda // Surface and Coatings Technology. 2010. Vol. 204, No. 18-19. P. 3009–3012.

9.   Генерация объемной плазмы дуговым разрядом с накаленным катодом / П. М. Щанин, Н. Н. Коваль, И. М. Гончаренко, С. В. Григорьев // Физика и химия обработки материалов. 2001. № 3. С. 16–19.

10.  Грибков В. А., Григорьев Ф. И., Калин Б. А. Перспективные радиационно-пучковые технологии обработки материалов. М. : Круглый стол, 2001. 528 с.

11.  Nazarov D. S., Ozur G. E., Proskurovsky D. I. Production of Low-Energy, High-Current Electron Beams in a Reflected Discharge Plasma-Anode Gun // Proc. of 11th IEEE Int. PulsedPowerConference. Baltimore. USA. 1997. Vol. II. P. 1335–1340.

12.  Engelko V., Mueller G., Bluhm H. Influence of particle fluxes from target on characteristics of intense electron beams // Vacuum. 2001. Vol. 62/2-3. P. 97–103.

13.  Источники заряженных частиц с плазменным эмиттером / Н. В. Гаврилов, В. И. Гушенец, Н. Н. Коваль др. Екатеринбург : УИФНаука, 1993. 148 c.

14.  Effect of intensified emission during the generation of a submillisecond low-energy electron beam in a plasma-cathode diode / S. V. Grigoriev, N. N. Koval, V. N. Devjatkov, A. D. Teresov // Proc. 9th Intern. Conf. On Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. Tomsk. 2008. P. 19–22.

15.  Koval N. N., Ivanv Yu. F. Nanostructuring of surfaces of metalloceramic and ceramic materials by electron-beams // Russian Physics Journal. 2008. Vol. 51. P. 505–516.

16.  Complex electron-ion-plasma treatment of titanium: methods, structure, properties / Yu. F. Ivanov, O. V. Krysina, E. A. Petrikova et al. // High Temperature Material Processes. 2017. Vol. 21(1). P. 53–64.

17.  Коваль Н. Н., Иванова Ю. Ф. Электронно-ионно-плазменная модификация поверхности цветных металлов и сплавов. Томск : НТЛ, 2016. 312 с.

18.  Raghavan V. The Cr-Fe-N System in Phase Diagrams of Ternary Iron Alloys // Indian Inst. Metals, Calcutta. 1987. Vol. 1. Р. 171–182.

19.  Hertzman S. A. Study of Equilibria in the Fe-Cr-Ni-Mo-C-N System at 1273 K // Metallurgical Transactions, Section A: Physical Metallurgy and Materials Science. 1987. Vol. 18. Р. 1767–1778.

20.  Frisk K. A. Thermodynamic Evaluation of the Fe-Ni-N System // Z. Metallkd. 1991. No. 82. Р. 59–66.

21.  Lee B.-J. A. Thermodynamic Evaluation of the Fe-Cr-Ni System // J. Korean Inst. Met. 1993 Vol. 31. Р. 480–489.

22.  Структурно-фазовое состояние и свойства заэвтектического силумина, обработанного импульсным электронным пучком / Ю. Ф. Иванов, С. П. Ереско, А. А. Клопотов и др. // Сибирский аэрокосмический журнал. 2021. Т. 22, № 2. С. 371–382.

23.  Структурно-фазовые состояния наноструктурированных поверхностных слоев титана ВТ1-0 после комбинированной электронно-ионно-плазменной обработки / Ю. Ф. Иванов, А. Д. Тересов, В. Е. Громов и др. // Решетневские чтения : материалы XVIII Междунар. науч. конф. / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2014. Ч. 1. С. 291–293.

24.  Особенности структурно-фазового состояния на поверхности силумина, сформированного методами электронно-ионно-плазменной обработки / Ю. Ф. Иванов, С. П. Ереско, А. А. Клопотов и др. // Решетневские чтения : материалы XXI Междунар. науч. конф. / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2017. Ч. 1. С. 615–617.

25.  Разработка комбинированного электронно-ионно-плазменного метода формирования многофазных субмикро-наноразмерных сплавов на основе алюминия / Ю. Ф. Иванов, С. П. Ереско, Ю. X. Ахмадеев и др. // Решетневские чтения : материалы XVIII Междунар. науч. конф. / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2018. Ч. 1. С. 490–492.

26.  Многоцикловое поверхностное легирование силумина титаном / Ю. Ф. Иванов, А. А. Клопотов, С. П. Ереско и др.// Решетневские чтения : материалы XXIII Междунар. науч.-практ. конф. / СибГУ им. М. Ф. Решетнева. Красноярск, 2019. Ч. 1. С. 526–528.

27.  Разработка комбинированного электронно-ионно-плазменного метода формирования многофазных субмикро-наноразмерных сплавов на основе алюминия / Ю. Ф. Иванов, С. П. Ереско, Ю. Х. Ахмадеев и др. // Сибирский журнал науки и технологий. 2019. Т. 20, № 1. C. 88–98.

28.  Комплексный электронно-ионно-плазменный метод азотирования высоколегированной стали / С. П. Ереско, Ю. Ф. Иванов, Е. А. Петрикова и др. // Решетневские чтения : материалы XXV Междунар. науч.-практ. конф. / СибГУ им. М. Ф. Решетнева. Красноярск, 2021. Ч. 1. С. 555–557.


Ереско Сергей Павлович – доктор технических наук, заслуженный изобретатель Российской Федерации, член-корреспондент Академии наук ВШ РФ, профессор, профессор кафедры основ конструирования машин; Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева. E-mail: eresko07@mail.ru.

Иванов Юрий Федорович – доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник; Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук. Е-mail: yufi55@mail.ru.

Петрикова Елизавета Алексеевна – младший научный сотрудник; Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук. Е-mail: petrikova@opee.hcei.tsc.ru.

Тересов Антон Дмитриевич – старший научный сотрудник; Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук. Е-mail: tad514@yandex.ru.

Клопотов Анатолий Анатольевич – доктор физико-математических наук, профессор, профессор кафедры прикладной механики и материаловедения; Томский государственный архитектурно-строительный университет. E-mail: klopotovaa@tsuab.ru.


  Формирование структуры, механических и трибологических свойств высокохромистой стали электронно-ионно-плазменным азотированием