д.т.н. Н.Н. Коваль, д.ф.-м.н. Ю.Ф. Иванов, В.В. Шугуров, А.Д. Тересов, Е.А. Петрикова
Осуществлена модернизация плазмогенераторов и блоков электропитания установки «Комплекс», разработанной в лаборатории плазменной эмиссионной электроники ИСЭ СО РАН, позволившая в едином вакуумном цикле провести многоцикловую электронно-ионно-плазменную модификацию поверхности стали 40Х, заключающуюся в нанесении покрытия Si (0.2 мкм)–Nb (0.2 мкм), последующем высокоскоростном плавлении системы «пленка (Si-Nb)/сталь 40Х-подложка» импульсным электронным пучком и азотировании в плазме несамостоятельного дугового разряда плазмогенератора «ПИНК» в электронно-ионном режиме.
Выявлен режим обработки (облучение системы «пленка/подложка» импульсным электронным пучком (20 Дж/см2, 200 мкс, 3 имп), 5 циклов, и последующее азотирование при 823 К, 1 ч, позволивший (по отношению к стали 40Х в исходном состоянии) увеличить микротвердость стали более чем в 4 раза (до 12.6 ГПа), снизить параметр износа более чем в 300 раз (до 1.4·10-7 мм3/Н·м) и уменьшить коэффициент трения в 1.2 раза (до 0.35). Установлено, что достигнутые высокие механические и трибологические свойства модифицированной стали обусловлены формированием в поверхностном слое многофазной структуры, содержащей нанокристаллические (менее 100 нм) включения нитридов и силицидов железа, хрома и ниобия.
Разработанный метод может быть использован для поверхностного модифицирования металлов и сплавов с целью придания материалу высоких физико-механических и трибологических свойств.
Рис 1. Схема установки «Комплекс»: 1 – блок электропитания разряда «СОЛО»; 2 – блок электропитания вспомогательного разряда; 3 – перераспределяющий электрод; 4 – эмиссионная сетка; 5 – ускоряющий электрод и область транспортировки пучка; 6 – соленоид B1; 7 – диафрагма, 8 – соленоид B2; 9 – держатель образцов; 10 – камера 1; 11 – магнетрон (Si); 12 – блок питания магнетрона; 13 – генератор газовой плазмы «ПИНК»; 14 – блок питания «ПИНК»; 15 – дуговой испаритель (Nb); 16 – блок питания испарителя; 17 – камера 2; 18 – манипулятор в положениях нанесения Si и Nb покрытий; 19 – шибер; 20 – источник электропитания электронно-ионного режима азотирования; 21 – источник напряжения смещения.
Рис. 2. Фрагмент рентгенограммы, полученной с поверхности модифицированной стали 40Х. Стрелками указаны дифракционные максимумы фазы Nb0.8Fe2Si0.2.
Публикации
- N.N. Koval, Yu.F. Ivanov, V.V. Shugurov, A.D. Teresov, E.A. Petrikova. Multi-cycle of AISI 5135 steel modification by irradiation of the "film (Si (0.2 μm) + Nb (0.2 μm))/(AISI 5135 steel) substrate" system with an intense pulsed electron beam. // Journal of Physics: Conference Series, 2021, V. 2064, P. 012041. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2064/1/012041
- V.V. Shugurov, N.N. Koval, Yu.F. Ivanov, A.D. Teresov, E.A. Petrikova. Formation of a silicon-niobium-based surface alloy using electron-ion-plasma surface engineering. // Journal of Physics: Conference Series, 2021, V. 2064, P. 012067. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2064/1/012067
Результаты получены в рамках выполнения проекта РФФИ № 19-08-00248_а "Принципы и процессы формирования электронно-ионно-плазменными методами термически стабильных слоев, содержащих нитриды и силициды тугоплавких металлов".
