Модификация поверхности при воздействии импульсных потоков плазмы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Модификация поверхности при многократном воздействии импульсных потоков плазмы

Жукешов А.М., Габдуллина А.Т., Пак С.П., Амренова А.У., Казахский национальный университет им. Аль-Фараби

Обработка поверхности твердых тел с применением импульсных потоков плазмы является одним из перспективных способов для создания материалов с заданными свойствами, в том числе с наноразмерной структурой. Особенностью данного метода является высокая плотность мощности воздействия на поверхность материалов, что приводит к расплавлению приповерхностного слоя материала и скоростям остывания 10⁶-10⁸К/с [1-3]. Для металлических сплавов типа углеродистых и легированных сталей, одним из важных результатов импульсного плазменного воздействия является упрочнение. Как было установлено ранее, в результате обработки при однократном воздействии происходит значительное уменьшение размеров ОКР и увеличение твердости. Максимальное увеличение микротвердости до 5 раз достигается при размерах ОКР аустенита и феррита около 15 нм. Причем, если размеры кристаллитов феррита уменьшаются на порядок пропорционально росту твердости, то размеры аустенита изменяются незначительно. Однако не оставалось ясным значение многократного воздействия на твердость материалов. Поэтому, в данной работе исследовано влияние многократной плазменной обработки на изменения в структуре и как следствие, на твердость сталей.

Исследованы 13 образцов углеродистой стали, вырезанных в виде пластин 15х10х5 мм. Обработка проводилось при разных плотностях энергии воздушной плазмы и при разном количестве импульсов с одинаковой энергией. Рабочее давление воздуха в камере ускорителя непосредственно перед разрядом составляло 0,04-0,1мм.рт.ст. Рентгеноструктурный анализ обработанных образцов проведен на дифрактометре “D8 Advance”, микротвердость измерена на приборе “Metaval” методом Виккерса при нагрузке 20г.

Рассмотрим данные по образцам углеродистой стали, обработанных многократно 5, 10, 20 и 30 импульсами плазмы при сравнимом значении плотности энергии 20-30 Дж/см². Результаты РФА образцов стали, обработанных многократно (рис. 1) показали, что гранецентрированная кубическая фаза, которая в предыдущих образцах (обработанных однократно воздушной плазмой с энергией 7- 48 Дж/см²) была определена как аустенит, в данных образцах представлена уже четырьмя линиями, т.к. количество ГЦК фазы в образцах увеличилось. Параметр кристаллической решетки этой фазы также хорошо совпадает с параметром нитрида железа FeN_0.076, т.е. дифракционная картина анализируемых образцов характерна также и для нитрида железа.

Рисунок 1. Рентгенограмма образца углеродистой стали, обработанного 10 импульсами

Для многократной обработки также были определены размеры ОКР, показанные на рис. 2. Из рисунка видно, что размеры ОКР феррита незначительно уменьшаются с ростом количества импульсов, а размеры кристаллитов аустенита практически не изменяются. Для определения изменений содержания ГЦК фазы от образца к образцу было найдено отношение интегральной интенсивности линии (200) гранецентрированной кубической фазы к интегральной интенсивности линии (110) б-твердого раствора на основе железа (в том числе и для однократно обработанных образцов). Эти данные приведены в таблице 1.

Рисунок 2. Зависимость размеров ОКР от количества импульсов

Таблица 1 Отношение интегральных интенсивностей

Из таблицы видно, что содержание ГЦК фазы больше во второй серии образцов, в которой наибольшее содержание ГЦК приходится на образец № 2. Однако остается неясным вопрос, почему же в последующих образцах содержание ГЦК фазы уменьшается. Зависимость твердости от количества импульсов показана на рисунке 3.

Рисунок 3 Зависимость микротвердости от количества импульсов

Как видно, твердость образцов достигает некоторого значения в районе 4-5 ГПа при малом количестве импульсов, а затем с ростом импульсов начинает слабо падать. Таким образом, для данного материала нет смысла давать большое количество импульсов для достижения повышенной твердости.

Таким образом, воздействие импульсных потоков плазмы в двух различных режимах однозначно приводит к упрочнению углеродистой стали. При этом, в обоих случаях в приповерхностной области формируются аустенитная (или нитридная) фаза с размерами ОКР 15-20 нм. Но эффект упрочнения, похоже, связан в основном с уменьшением размеров кристаллитов феррита, так как ярко выраженной зависимости твердости от размеров кристаллитов аустенита не наблюдается. С другой стороны, размеры ОКР аустенита слабо зависят как от плотности энергии, так и от количества импульсов. Скорее всего, эта фаза образуется в результате резкого остывания приповерхностного расплава во время обработки и далее ее содержание не изменяется.

Очевидно, при многократной обработке увеличивается количество внедряемой дозы, и это должно приводить к формированию нитридной фазы, которая также является упрочняющей. Как известно, для формирования нитридной фазы в металлах требуются дозы 10¹⁶-10¹⁷ см^-3. Импульсные пушки, в принципе, могут обеспечить такие дозы. Однако, в данном эксперименте использовалось достаточно низкое начальное давление газа 0,1 торр, при котором концентрация частиц в плазме составляет порядка 10¹² см^-3. В таком случае, для достижения требуемых доз необходимо делать сотни выстрелов, что достаточно сложно реализовать. Поэтому, можно сделать вывод, что в рассматриваемом эксперименте механизм упрочнения заключается в тепловом воздействии плазмы на приповерхностную область и формировании мелкодисперсной микрокристаллической структуры в результате остывания поверхности. Метод импульсной плазменной обработки представляет определенную перспективу для создания ноноразмерных структур на поверхности металлов, при условии регулирования параметров плазмы.

сталь плазма упрочнение микрокристаллический

Список литературы

1. Chebotarev V.V., Garkusha I.E., Langner J. etc. Surface structure changes induced by pulsed plasma streams processing // Problems of atomic science and technology. Series: Plasma physics. -1999. -№3(3).- V.4(4).- Р.273-275.

2. Tereshin V.I., Bandura A.N., Bovda A.M. etс. Pulsed plasma accelerators of different gas ions for surface modification // Review of scientific instruments. -2002.-V. 73(2).- P.831-833.

3. Kazeev M.N. High power ablative pulsed plasma flows for technology applications // Applled Physics. -2000.- №4.- P. 5-10.

Размещено на Allbest.ru