» » Насыщение железа углеродом при действии лучей лазера и ударных волн
24.12.2014

В разделе, посвященном исследованию физической природы упрочнения сталей световыми импульсами, было показано, что в железоуглеродистых сплавах происходит изменение содержания углерода в поверхностном слое, связанное, по-видимому, с различной подвижностью атомов железа и углерода при высоких температурах. При исследовании воздействия луча лазера на твердый сплав, состоящий в основном из карбида вольфрама WC, было получено, что этот карбид частично переходит в W2C, что приводит к значительному увеличению твердости материала.
Исследована возможность диффузионного насыщения поверхности металлов различными элементами. В качестве металла основы было взято техническое железо (0,04% С). Опыты проводились на оптическом квантовом генераторе ГОС-ЗОМ, дающим световой импульс с длиной волны 1,05 мк (инфракрасный свет) с энергией около 35 дж, длительность импульса составляла около 10в-3 сек, каждый импульс состоял из нескольких десятков отдельных пиков. Фокусировка луча проводилась линзами с фокусным расстоянием от 5 до 25 см, образцы устанавливались как в фокусе линзы, так и со значительными дефокусировками (до 30%).
Насыщение углеродом железа представляло интерес, так как процесс цементации для случаев нагрева в печи со сравнительно небольшими скоростями хорошо изучен. Атомы углерода имеют значительно меньшие размеры, чем атомы железа, и диффузия углерода в железе из активных сред идет достаточно быстро.
Опыты по облучению железа, на поверхность которого наносились слои различных соединений, содержащих углерод, в том числе графит, показали, что после облучения световыми импульсами лазера на поверхности возникает белая плохо поддающаяся травлению зона. Форма зоны и ее глубина изменяются в зависимости от условий облучения: можно получить равномерный поверхностный слой, секторы, разделенные промежутками и т. д.
Рентгеноструктурное исследование показало, что облучение образца без покрытия графитом приводит к некоторому расширению линий феррита на рентгенограммах. Облучение образца, покрытого ферритом, приводит к дальнейшему расширению линий альфа-фазы и к появлению линий гамма-фазы (аустенита). Эти результаты доказывают, что процесс насыщения углеродом действительно происходит, причем до достаточно высоких концентраций.
На рисунке 6.3 приведены кривые интенсивности линий на рентгенограммах. Из рисунка видно, что облучение железа, покрытого графитом, приводит качественно к тому же эффекту, что и облучение чугуна, содержащего около 3% углерода. Для количественного сравнения были проведены исследования большой серии железоуглеродистых сплавов, содержащих от 0,1 до 4,5% С после действия светового луча. Получено, что ширина линии (110) на рентгенограмме железа с покрытием графита наиболее близка к данным, полученным при облучении стали-45 (0,6% С).
Насыщение железа углеродом при действии лучей лазера и ударных волн

Следует отметить, что рентгеновские данные являются усредненными по сравнительно большой площади, и на микрофотографиях удавалось наблюдать даже области с эвтектической структурой, т. е. с содержанием углерода до 4,3%.
Для доказательства того, что при облучении железа с покрытием действительно образовался твердый раствор железо-углерод, проводился низкий отпуск (160/170°С). При этом следовало ожидать исчезновения тетрагональности мартенсита и сужения линий на рентгенограммах. Этот эффект действительно наблюдался для представления количественных соотношений. В табл. 6.1 приведены данные о ширине линий на рентгенограммах.
Насыщение железа углеродом при действии лучей лазера и ударных волн

Металлографическое исследование показало, что на поверхности железа с покрытием после облучения образуется белый плохо травящийся слой с равномерной твердостью, достигающей 1400 кГ/мм2 (рис. 6.4, а). За ним идет термообработанный слой с твердостью 1000 кГ/мм2, т. е. происходит повышение твердости на 8004-900 кГ/мм2. Для сравнения укажем, что при облучении железа повышение твердости в зоне, плавящейся под действием луча, составляет 170 кГ/мм2, а в термообработанной зоне — 75 кГ/мм2.
В некоторых случаях удавалось выявить мелкоигольчатую мартенситную структуру слоя, характерную для среднеуглеродистых сталей после облучения.
Представляло интерес выяснить механизм насыщения углеродом, в частности, происходит ли насыщение в твердой фазе или в жидкости. На микрофотографиях видно, что существенное увеличение твердости наблюдаются в белом слое на поверхности образца, аналогичном слою застывшего расплава в высокоуглеродистых сталях и чугунах. Повышение твердости в термообработанной зоне значительно меньше, т. е. эффект насыщения углеродом в ней невелик.
Насыщение железа углеродом при действии лучей лазера и ударных волн

Интересно выяснить, возможно ли насыщение углеродом под действием луча лазера для материала с высокой температурой плавления. Облучение вольфрама, покрытого графитом, привело к образованию зон с измененной структурой на поверхности образца. Рентгеновское исследование показало наличие небольшого количества карбидов вольфрама, твердость в поверхностном слое повысилась до 7004-800 кГ/мм2.
Таким образом, механизм диффузионного насыщения поверхности металлов при действии луча лазера можно представить следующим образом. Мощный световой импульс, падая на образец, нагревает поверхностный слой, состоящий из углерода, до температуры в несколько тысяч градусов. При этом углерод испаряется и переходит в состояние химически активной плазмы. Этот процесс происходит за время, меньшее, чем общая длительность импульса света (10в-3 сек). Оставшаяся часть светового импульса испаряет и расплавляет железо. Кипящий слой жидкости насыщается активным углеродом, а также растворяет частицы углерода, оставшиеся па поверхности, и при охлаждении дает мартенсит и аустенит с содержанием углерода, увеличенным до 0,64-1%.
Отметим, что возможность растворения частиц графита можно продемонстрировать путем облучения серых и ковких чугунов. Пример турбулентного перемешивания металла при насыщении углеродом приведен на рис. 6.4, б, где показана микрофотография части выплеска на поверхности металла при одном из режимов обработки, приводящем к интенсивному выбросу жидкого металла. Диффузия в твердой фазе в данном случае, по-видимому, мала из-за малой продолжительности нагрева. Так, например, в малоуглеродистой стали при действии луча в зоне расплава углерод успевает перераспределиться и возникает мартенсит, а в зоне термического влияния в твердой фазе перлитные участки превращаются в мартенсит с высоким содержанием углерода, а ферритные участки не меняются.
Проведено сравнение полученных данных с результатами исследования диффузии при других видах скоростного нагрева, например, при нагреве ударными волнами.
Обработка металлов плоскими ударными волнами, кроме эффекта упрочнения, приводит к значительным структурным эффектам, связанным с нагревом материала. Увеличения теплового эффекта можно добиться путем сжатия порошков.
Представляло интерес исследовать возможности насыщения углеродом железа под действием ударных волн. Выбор пары железо — углерод для предварительного исследования был, в частности, обусловлен тем, что процесс цементации в разнообразных условиях, не включающих применения динамического нагружения, хорошо изучен.
Изучена сталь-20 (0,2% С) в отожженном состоянии, имеющая феррито-перлитную структуру. Обработка ударными волнами проводилась по методике, описанной путем метания пластины со скоростью 1975 м/сек в условиях, обеспечивающих получение бегущей волны на поверхности контакта, давление при ударе достигало 425 кбар.
После обработки из плиты вырезались образцы в направлении, перпендикулярном фронту ударной волны; исследование проводилось методами рентгенографического и металлографического анализа и измерялась микротвердость структурных составляющих.
Макротравление (реактивом Фри) выявило в сечении вдоль распространения фронта ударной волны зоны с различной окраской, более темная зона имела полукруглую форму, в ряде мест по сечению имелись трещины, параллельные поверхности образца. Микроисследование не обнаружило наличия насыщения углеродом. Травление поверхности, перпендикулярной фронту волны нагружения, обнаружило белые участки с очень малой химической активностью, типичные для закаленных сплавов железо — углерод с высокой концентрацией углерода.
Рентгеноструктурное исследование фазового состава поверхности образцов показало, что в исходном состоянии материал (в пределах чувствительности анализа) состоит только из феррита с объемноцентрироваиной кубической структурой (альфа-фаза). После обработки взрывом и выравнивания поверхности путем шлифовки на рентгенограммах обнаружены лишь очень слабые линии альфа-фазы, а основной фазовой составляющей является цементит (соединение Fe3C) с орторомбической структурой.
Относительная интенсивность линий цементита сравнивалась с наблюдаемой при съемке эталонных образцов железо-углеродистых сплавов различного состава. Получено, что наблюдаемые относительные интенсивности примерно соответствуют полученным для заэвтектических белых чугунов (около 4,5% С).
Резкое изменение фазового состава при цементации в ударной волне видно из сравнения кривых интенсивности на рентгенограммах. Металлографическое исследование проводилось по сечению образцов вдоль распространения ударной волны (перпендикулярно поверхности, насыщавшейся углеродом).
Получено, что на поверхности образцов возникает слой с игольчатой структурой, аналогичной структуре области застывшего расплава, наблюдавшейся при облучении белых заэвтектических чугунов световыми импульсами лазера. Таким образом, структура слоя указывает на высокую концентрацию углерода. Граница этого слоя является очень резкой. Следующая зона по направлению от поверхности образцов содержит зерна превращенного перлита и феррита, далее идут зоны, в которых прошли двойникование и рекристаллизация, и наконец, зона двойникования.
Для более подробного исследования этих структур были подобраны реактивы и режимы травления, выявившие отдельные структурные составляющие в каждой зоне, при этом одновременно можно было исследовать только одну зону. В табл. 6.2 приведены размеры и микротвердость отдельных зон.
Насыщение железа углеродом при действии лучей лазера и ударных волн

Зона насыщения углеродом содержит иглы цементита и округлые поры, возникшие в результате выделения газовой фазы, и соответствует зоне застывшего расплава согласно терминологии, применяемой при описании воздействия концентрированных потоков энергии на материалы.
Следующая зона (зона термического влияния) содержит зерна, которые в исходном состоянии имели структуру перлита. В процессе импульсного нагрева в этих зернах произошел переход в аустенит, содержащий 0,8% С, и при резком охлаждении возникала аустенитно-мартенситная структура.
В окружающих эти зерна участках феррита в результате перехода альфа-фазы в гамму-фазу при нагреве и обратного перехода при охлаждении произошло измельчение зерен. Таким образом, скорости нагрева и охлаждения были настолько велики, что не успело произойти перераспределение углерода между превращенным перлитом и ферритом. Эта структура также является типичной для зоны термического влияния при обработке стали световыми импульсами лазера.
Следующая зона (зона полигонизации) содержит мелкие полигонизованные блоки с сохранившимися остатками двойников. Такая структура возникла при кратковременном нагреве металла после динамической пластической деформации.
Наконец, последняя зона, составляющая основную структуру образца, деформированного ударными волнами, содержит значительное количество двойников в зернах феррита.
На основании структурных исследований можно предположить следующий физический механизм процессов, приводящих к насыщению железа углеродом под действием ударных волн. Ударная волна, возникающая при соударении с пластиной, сжимает пористый слой порошка графита. При этом наряду с высоким давлением происходит нагрев порошка до температуры, превышающей температуру плавления железа в ударной волне. Возникает слой раствора углерода в железе в жидком состоянии.
После снятия давления происходит затвердение расплава; содержание углерода в металле при этом сильно превышает максимально возможную растворимость в твердом состоянии (около 2%) и в условиях избытка углерода происходит образование химического соединения (цементита). При этом также большую роль играет резкое уменьшение температуры плавления железа при контакте с графитом, так как диаграмма железо — углерод относится к эвтектическому типу.
Сравнительно равномерная структура слоя застывшего расплава указывает на интенсивное перемешивание в жидком состоянии. Малая толщина зоны термического влияния указывает на очень резкие градиенты температуры при затвердевании расплава.
Представляет интерес также и обнаруженная значительная полигонизованная зона, размеры которой на два порядка превышают размеры как зоны насыщения, так и зоны термического влияния. Существование этой зоны связано с суммарным действием нагрева за счет теплопередачи с поверхности металла. Вид структуры при этом свидетельствует о том, что сначала произошел процесс двойникования, а лишь затем процесс полигонизации.
Таким образом, показана возможность проведения насыщения поверхности металлов различными элементами под действием ударных волн, а также перспективность термообработки ударными волнами путем сжатия порошков на поверхности металла.