Влияние термообработки на состав поверхности инструментальных сталей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние термообработки на состав поверхности инструментальных сталей

А.В. Сидашов, А.Т. Козаков

Методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии на системе анализа поверхности фирмы SPECS исследовано влияние последовательного прогрева на воздухе на элементный состав и химическую связь на поверхности образцов инструментальных сталей. Результаты объяснены в рамках теорий сегрегаций для тройных систем сильно разбавленных растворов.

Ключевые слова: рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, поверхность, элементный состав, химическая связь, инструментальная сталь, сегрегационная модель.

В зависимости от желаемых характеристик для придания сталям тех или иных технологических и эксплуатационных свойств в железную матрицу добавляют целый ряд легирующих элементов [1]. Принято считать, что легирующие элементы оказывают влияние на свойства объемной матрицы. В низколегированных инструментальных сталях такими элементами являются, например, хром, никель, молибден, ванадий и др. Согласно [1] они повышают не эксплуатационные режущие свойства, а существенно улучшают ряд технологических свойств, таких как прокаливаемость и технологическую закаливаемость сталей, способствуют сохранению мелкого зерна при прокалке и т.д. Для улучшения эксплуатационных режущих свойств инструментальных сталей, обычно изменяют состав и химическую связь на поверхности путем различной обработки поверхности при сохранении объемного состава [2].

Работа посвящена исследованию состава поверхности сталей P6M5 и 9ХС окисленных в воздушной среде при прогреве образцов на воздухе. Образцы сплавов последовательно прогревались в муфельной печи до определенных температур. Исследования проводились в диапазоне от 300 К до 1300 К. Интервал между нагревом образцов составлял сто градусов. Общее время прогрева при формировании каждой поверхности составляло 3 часа. После каждого нагрева образцов сталей, исследовался состав сформированной поверхности и химическая связь для всех элементов, находящихся на поверхности, методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии с помощью рентгеноэлектронного спектрометра, являющегося одним из компонентов системы анализа поверхности фирмы SPECS (Германия). Исследуемая поверхность сплавов формировалась в условиях близких к равновесному состоянию. Давление в камере подготовки образца спектрометра в процессе ионного травления, составляло 510^-5мм.рт.ст. Вакуум в процессе РФЭС анализа поддерживался на уровне ~ 710^-10 мм.рт.ст.

Исследуемые стали P6M5 и 9ХС существенно отличаются между собой по ряду легирующих элементов таких элементов как хром, молибден, кремний, ванадий и вольфрам, придающих необходимые механические свойства матрице железа, причем концентрация легирующих элементов в стали Р6М5 в несколько раз превышает их концентрационное содержание в стали 9ХС.

В связи с тем, что образцы сталей P6M5 и 9ХС нагревались на воздухе, на поверхности имеется достаточно большие количества углерода и кислорода. концентрация прогрев сталь раствор

Причем содержание кислорода (рис. 1), по его величине на поверхности сравнимо с содержанием железа, концентрация которого в объеме около 80% мас. Температурные зависимости поверхностных концентраций кислорода и углерода для обеих сталей как видно из представленных рис. 1 и 2 ведут себя примерно одинаково: с ростом температуры количество кислорода на поверхности возрастает, а углерода - уменьшается. Первое свидетельствует об окислении поверхности в целом, а второе - об очищении поверхности от углеводородных загрязнений с ростом температуры обработки.

Рис. 1. Температурная зависимость поверхностных концентраций: 1 - кислорода; 2 - углерода; 3 - железа в исследуемом образце стали P6M5.

Рис. 2. Температурная зависимость поверхностных концентраций: 1 - кислорода; 2- железа; 3- углерода в исследуемом образце стали 9ХС.

Для информативной оценки процессов обеднения или обогащения поверхности исследуемых сплавов, кривые на рис. 3 и 4, относящиеся к металлическим компонентам, представляют не абсолютные значения поверхностных концентраций, а их отношения к объему. Пунктирная прямая на уровне единицы (рис. 3) отделяет области обеднения и обогащения поверхности легирующими элементами. Фактически на рис. 3 и 4 приведены температурные зависимости коэффициента обогащения поверхности.

Как видно из рис. 3 и 4, в низкотемпературной области для стали Р6М5 (до 673 K), а для стали 9ХСС (до 800 K).

Рис. 3. Температурные зависимости отношения поверхностных концентраций к объемному содержанию в исследуемом образце стали P6M5 для: 1 - ванадия; 2 - молибдена; 3 - вольфрама; 4 - хрома; 5 - железа.

Рис. 4. Температурные зависимости отношения поверхностных концентраций к объемным в исследуемом образце стали 9ХС для: 1 - молибдена;2 - марганца; 3 - хрома.

поверхность обеднена легирующими элементами на поверхности. Хром в стали Р6М5 обогащает поверхность при 293 K, но резко уменьшается до значения меньше объемного уже при подъеме температуры на 100°С.

Из рис. 3 видно, что при комнатной температуре поверхность образца обогащается хромом. При последовательном прогреве, количество вольфрама на поверхности растет, но приближается к его объемному значению.

При температуре 1273 K количество ванадия и молибдена на поверхности, более чем в два раза превышает его содержание в объеме металла. Ванадий и молибден для стали 9ХС (рис. 4) находятся в объеме примерно в одинаковых количествах, содержание на поверхности молибдена при этом виде температурной обработки до 18 раз превышает его содержание в объеме, а ванадий на поверхности вообще обнаружен не был. Хром, несмотря на довольно высокое объемное содержание в стали, высокое значение теплоты образования оксида Cr2O2 и наименьшее из всех компонентов стали значение поверхностного натяжения вообще не обогащает поверхность. Только высокое значение поверхностной концентрации молибдена, согласуется с его высокой сегрегационной способностью относительно матрицы железа. Интересным также является высокое значение коэффициента обогащения поверхности молибденом по сравнению с его значением для стали P6М5.

Для интерпретации результатов мы используем модель [3]. Согласно которой, для бинарных материалов, фактором обуславливающим обогащение поверхности каким-либо компонентом при её окислении является его сегрегация в присутствии кислорода. В конечной точке температурных исследований (1273 K), как это следует из РФЭС, все металлические компоненты окислены. Поэтому согласно сегрегационной модели, состав поверхности в этой температурной точке должен формироваться в результате сегрегационных процессов, в которых определяющими величинами являются теплоты образования оксидов на поверхности стали. По способности обогащать поверхность стали легирующие элементы на основании модельных расчетов располагаются в следующей последовательности: V > Mo > W > Cr [3]. Таким образом, при высоких температурах (начиная с температуры 773 K и выше) данные расчетных сегрегационных зависимостей в рамках модели [2, 3], качественно согласуются с экспериментом, хотя в промежуточной температурной области 373 - 773 K согласия не наблюдается. По-видимому, сегрегационная ситуация здесь определяется кинетическими факторами. Следует выделить тот факт, что согласно расчету, сегрегационная способность атома не всегда однозначно определяется величиной теплоты образования оксида. В случае с молибденом, сегрегирующего в железной матрице, способ расчета коэффициентов взаимного влияния, обеспечивает большее значение коэффициента и в конечном счете, более лучшие сегрегационные способности атому молибдена, при меньшем значении теплоты образования оксида на поверхности.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект №_14-29-00116).

Список литературы

1. Дерябин, А.А. Межфазное натяжение феррохрома с окислами и натяжение фаз/ Физическая химия поверхностных явлений в расталих // А.А. Дерябин, С.И. Попель, Р.А. Сайдулин, М.В. Тарханов. Изд. «Наукова Думка», Киев, 1971, с. 261-265. Под редакцией ВН Еременко.

2. Козаков, А.Т. Состав поверхности инструментальных сталей 9ХС и Р6М5 после импульсного лазерного воздействия по данным рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии // А.Т. Козаков, С.И. Яресько, В.И. Колесников, А.В. Сидашов. Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2011, № 5, с. 26-34.

3. Козаков, А.Т. Исследование сегрегационных процессов и химической связи при равновесном и неравновесном окислении поверхности сплава Р6М5 // А.Т. Козаков, В.И. Колесников, А.В. Сидашов, К.А. Гуглев. Известия РАН. Серия физическая, 2009, том 73, № 5, с. 734-737/

Размещено на Allbest.ru