close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

код для вставкиСкачать
УДК 621.383:535.33
ВЛИЯНИЕ ТЕРМООБРАБОТКИ НА СОСТАВ
ПОВЕРХНОСТИ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ
А.В. Сидашов1, А.Т. Козаков2
Ростовский государственный университет путей сообщения, Ростов-на-Дону, Россия
Научно-исследовательский институт физики при Южном федеральном университете,
Ростов-на-Дону, Россия
1
2
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
510-5мм.рт.ст. Вакуум в процессе РФЭС
анализа поддерживался на уровне ~ 71010
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.
Причем содержание кислорода (рис. 1),
по его величине на поверхности сравнимо с
содержанием
железа,
концентрация
которого в объеме около 80% мас.
Температурные зависимости поверхностных
239
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.
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. 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.
Рис. 4. Температурные зависимости
отношения поверхностных концентраций к объемным в исследуемом
образце стали 9ХС для: 1 – молибдена;
2 – марганца; 3 – хрома.
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
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
240
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/
241
INFLUENCE OF HEAT TREATMENT ON THE SURFACE
COMPOSITION OF THE TOOL STEELS
A.V. Sidashov1, A.T. Kozakov2
1
2
Rostov state university of means of communication, Rostov-on-Don, Russia
Research institute of physics at the Southern federal university, Rostov-on-Don, Russia
By x-ray photoelectron spectroscopy by means of the surface analysis system SPECS the effect of successive heating in
the air on the elemental composition and chemical binding on the surface of samples of tool steels was investigated. The
results in the framework of segregation theories for ternary systems of strongly diluted solutions are explained.
Keywords: X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), surface, elemental composition, chemical binding, tool steel, segregation model.
242
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа