Формирование нанокристаллической структуры в поверхностном слое стали, облученной интенсивным импульсным электронным пучком

Abstract

Работа направлена на выявление и анализ закономерностей формирования наноструктурных, многофазных поверхностных слоев в высокохромистых сталях 12Х18Н10Т и 20Х13, подвергнутых облучению интенсивным импульсным электронным пучком (установка «СОЛО»). Осуществлен термодинамический анализ системы Fe-Cr-C. Показано, что легирование углеродом сплавов Fe-Cr приводит к значительному изменению в них структурно-фазового состояния и оказывает определяющее влияние на области существования карбидов M23С6, M7С3, M3С2 и M3С с α-и γ-фазами. Проведены численные расчеты температурного поля, формирующегося в поверхностном слое стали при облучении электронным пучком. Показано, что при плотности энергии пучка электронов 10 Дж/см2, не зависимо от длительности импульса пучка электронов (50-200 мкс), максимальная температура, достигаемая на поверхности образца к концу действия импульса, ниже температуры плавления стали. При плотности энергии пучка электронов (20-30) Дж/см2 и длительности импульса 50 мкс на поверхности облучения максимальная температура равна температуре кипения стали; при длительности импульса 200 мкс – достигает или превышает температуру плавления стали. Выполнены исследования структуры, механических и трибологических свойств поверхностного слоя образцов высокохромистых сталей 12Х18Н10Т и 20Х13, сформировавшегося при облучении интенсивным импульсным электронным пучком. Установлено, что электронно-пучковая обработка стали в режиме плавления и последующей высокоскоростной кристаллизации сопровождается растворением частиц исходной карбидной фазы состава М23С6 ((Cr, Fe,)23C6), насыщением кристаллической решетки поверхностного слоя атомами углерода и хрома, формированием ячеек дендритной кристаллизации субмикронных размеров, выделением наноразмерных частиц карбида титана и карбида хрома. В совокупности это позволило повысить (относительно исходного состояния) прочностные и трибологические свойства исследуемых материалов. Для стали 12Х18Н10Т выявлено увеличение твердости поверхностного слоя в 1.5 раза, износостойкости в 1.5 раза, коэффициент трения снизился в 1.6 раза; для стали 20Х13 – увеличение микротвердости в 1.5 раза, износостойкости в 3.2 раза, снижение коэффициента трения в 2.3 раза = The work is aimed at identification and analysis of regularities of nanostructural multiphase surface layers formation in SUS321 and SUS420 high-chromium steels, subjected to irradiation by an intensive pulsed electron beam. Numerical calculations of the temperature field which is formed in a steel surface layer at irradiation by an electron beam are carried out. It is shown that at the energy density of electron beam of 10 J/cm2, independently on duration of pulse of electron beam (50-200 µs), the maximum temperature reached on a sample surface at the end of action of an pulse, lower than temperature of steel melting. At the energy density of electron beam of (20-30) J/cm2 and pulse duration of 50 µs on the surface of irradiation the maximum temperature is equal to steel boiling temperature; at pulse duration of 200 µs – reaches or exceeds steel melting temperature. It is established that electron beam treatment of steel in the mode of melting and the subsequent high-speed crystallization is followed by dissolution of particles of an initial carbide phase of M23C6 ((Cr, Fe)23C6) structure, saturation of a crystal lattice of a surface layer by atoms of carbon and chromium, formation of cells of dendritic crystallization of the submicronic sizes, allocation of nanodimensional particles of titanium carbide and chromium carbide. In total it has allowed to increase (rather initial state) strength and tribological properties of the studied materials. For SUS321 steel increase in hardness of a surface layer by 1.5 times, wear resistances by 1.5 times is revealed, the coefficient of friction has decreased by 1.6 times; for SUS420 steel increase in microhardness by 1.5 times, wear resistances by 3.2 times, decrease in coefficient of friction by 2.3 times is revealed