Структура и фазовый состав упрочненной поверхности

Структуру и фазовый состав рассмотрим на примере стали Х12ВМ, которая в исходном термообработанном состоянии (закалка и отпуск) имеет размер аустенитного зерна ~ 30 - 40 мкм [12]. Твердость стали HV=5900 МПа. Фазовый состав: α-Fe(мартенсит отпуска) и частицы карбида М₇С₃ (типа Сr₇C₃) с гексагональной решеткой (пространственная группа РЗ 1с, а=1,3980 Нм, с=0,4523 Нм и с/а=0,3235), а также железо-молибденовый карбид (Fе,Мо)₃С (п.г. P222₁ с параметрами решетки а=1,627 Нм, b=1,003 Нм, с=1,132 Нм).

На основании результатов проведенных экспериментов была получена зависимость толщины модифицированного слоя от плотности ионного потока (рис. 5.1)

Как видно из графика, наибольшая толщина слоя формируется при плотности тока от 1,5 до 2,5 мА/см².

Результаты измерения твердости (HV) и микротвердости (H_0,19 ) стали Х12ВМ после различных режимов ионной обработки представлены в таблице 5.1.

Таблица 5.1

Твердость HV и микротвердость Н_0,19 термообработанной стали Х12ВМ до и после обработки ионами азота (j 2 мА·см^-2) при различных температурах

Сталь Х12ВМ
Измеряемая характеристика	Режим обработки
Исходное состояние	Температура ионно-лучевой обработки, К
Микротвердость поверхности H0,19, МПа		9600-10000	16000-16500	14000-15000	10500-11000
Твердость стали HV, МПа

Определение HV проводилось на неимплантированной поверхности образцов и характеризовало изменение твердости стали в процессе высокотемпературного воздействия при ионном легировании. С помощью измерения H_0,19 оценивалось упрочнение имплантированных ионами азота поверхностных слоев стали. Как можно видеть из данных таблицы 5.1, при температуре ионного легирования 620 - 770 К твердость стали несколько понижается. Уменьшение твердости матричной стали при обработке ионами азота может быть связано с коагуляцией карбидов и релаксацией мартенситной структуры.

На рисунке 5.2 приведен график распределения микротвердости по глубине модифицированного азотом слоя. Имплантация ионов азота при 670 К приводит к увеличению глубины модифицированного слоя до~10-15 мкм. Микротвердость слоя существенно возрастает и достигает уровня H_0,19 =16000 МПа. В слое регистрируется карбонитрид Fe₃(C,N) и нитридные фазы ε-Fe_2-3N и α''-Fe₈N. Интенсивность дифракционных линий от частиц карбида хрома сильно снижается, что свидетельствует о растворении карбида в процессе ионно-лучевой обработки при 670 К.

Рис. 5.2 –– Распределение микротвердости по глубине модифицированных ионами азота слоев в стали Х12ВМ

В результате обработки стали при 720 К глубина модифицированного азотом поверхностного слоя возрастает до 15-20 мкм. Микротвердость слоя составляет 14000-15000 МПа. В слое уменьшается содержание высокоазотистой фазы ε-Fe_2-3N и обнаруживается присутствие частиц нитридных фаз γ'-Fe₄N и CrN (см. рисунок 5.2). Частицы карбидных фаз в имплантированном азотом при 720 К слое отсутствуют. Кроме этого на рентгеновской дифракционной картине появляются линии, принадлежащие α-Fe, что указывает на процессы распада высокоазотистого ε-нитрида.

Высокотемпературная обработка концентрированными потоками ионов азота стали Х12ВМ при 770 К приводит к образованию модифицированного слоя глубиной 30-35 мкм и с микротвердостью Н_μ=10000-11000 МПа. Основными фазами, присутствующими в азотированном слое, являются высокопрочный, термостабильный нитрид хрома CrN и α-Fe. Узкий профиль дифракционных линии матричной a-фазы и малое значение периода ее кристаллической решетки (а=0,2878 Нм) свидетельствует о глубоком распаде азотистого мартенсита в процессе ионно-лучевой обработки при 770 К.

Ионная имплантация N⁺ при 620 К вызывает образование азотированных слоев глубиной до 5-10 мкм и микротвердостью H_0,19 = 9600-10000 МПа. Основными фазами, содержащимися в поверхностных слоях, являются карбидные фазы (Fе,Мо)₃С, Сr₇C₃, азотистый мартенсит, s-Fe_2-3N, (рисунок 5.3). Дифракционные линии от матричной α-фазы размыты и смещены в сторону малых углов рассеяния, что свидетельствует о насыщении мартенсита азотом.

а)

б)

в)

г)

Рис. 5.3 –– Фрагменты рентгеновских дифрактограмм (СоК_α) от поверхностных слоев стали Х12ВМ, обработанной на различных режимах: а –– исходное состояние (отпуск); б –– имплантация N⁺ при 680 К; в –– то же при 700 К; г –– то же при 740 К.