СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫЕ СОСТОЯНИЯ И СВОЙСТВА БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ ПОСЛЕ ИМПУЛЬСНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

Методами современного физического материаловедения проведен сравнительный анализ структуры, фазового состава и механических свойств (микротвердости) быстрорежущей стали марки Р18 после магнитно-импульсной и электронно-пучковой обработок. Магнитно-импульсная обработка образцов стали в отожженном состоянии проводилась на установке МИУ 10/30 при значении энергии магнитного поля индуктора 40 кДж, количество импульсов 6, длительность импульса 200 мкс, частота следования 20 кГц. Электронно-пучковой обработке подвергали образцы, полученные плазменно-дуговой наплавкой и подвергнутые четырехкратному высокотемпературному отпуску. Режим электронно-пучковой обработки: плотность энергии пучка электронов 30 Дж/см², длительность импульса пучка электронов 50 мкс, количество импульсов облучения 5 имп., частота следования импульсов 0,3 с^-1. При воздействии импульсного магнитного поля в поверхностном слое стали толщиной примерно 100 мкм наблюдалось измельчение карбидов с 13,2 до 2,9 мкм и формирование мелкоигольчатого мартенсита размерами от 200 до 1 нм, объемная доля которого составляет 0,54. Это обуславливает высокие значения микротвердости: до 5,7 ГПа. Электронно-пучковая обработка отпущенных образцов также приводит к дроблению карбидов в поверхностном слое 50 мкм до размеров 10 – 45 нм и формированию ячеистой субмикроструктуры размерами 100 – 250 нм. Установлено, что основными механизмами упрочнения являются упрочнение мартенситной структурой в случае магнитно-импульсной обработки и ячеистой субструктурой при обработке электронным пучком. Полученные результаты могут быть использованы для разработки комбинированных видов обработки, которые сочетают импульсное магнитное поле и электронных пучок.

1. Wang Y., Mao B., Chu S., Chen S., Xing H., Zhao H., Wang S., Wang Y., Zhang J., Sun B. Advanced manufacturing of high-speed steels: A critical review of the process design, micro-structural evolution, and engineering perfor-mance. Journal of Materials Research and Technology. 2023;24:8198‒8240.

2. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.04.269

3. Zhipeng C., Xinquan H. Residual stress reduc-tion by combined treatment of pulsed magnet-ic field and pulsed current. Materials Science and Engineering: A. 2011;528(19-20):6287‒6292. https://doi.org/10.1016/j.msea.2011.04.078

4. Yang Y., Yang Y., Liao C., Yang G., Qin Y., Li Q., Wu M. Enhancing tribological performance of ce-mented carbide (WC-12Co) by pulsed magnetic field treatment and magnetofluid. Tribology International. 2021;161:107086.

5. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2021.107086

6. Yongfang Zhang, Chongyang Fang, Yanfei Huang, Weiling Guo, Zhiguo Xing, Haidou Wang, Zhinan Zhang. Enhancement of fa-tigue performance of 20Cr2Ni4A gear steel treated by pulsed magnetic treatment: influ-ence mechanism of residual stress. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2021;540:168327. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2021.168327

7. Shao Q., Wang G., Wang H., Xing Z., Fang C., Cao Q. Improvement in uniformity of al-loy steel by pulsed magnetic field treatment. Materials Science and Engineering: A. 2021;799:140143. https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.140143

8. Qian C., Li K., Rui S.-S., Hou M., Zhang X., Wu Y., Cai Z. Magnetic induced re-dissolution and microstructure modifications on mechanical properties of Cr4Mo4V steel subjected to pulsed magnetic treatment. Jour-nal of Alloys and Compounds. 2021;881:160471.

9. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.160471

10. Алифанов А.В., Попова Ж.А. Механизм упрочнения легированных сталей в импуль-сном магнитном поле. Литье и металлур-гия. 2012;(4(68)):151‒155.

11. Алифанов А.В., Ционенко Д.А., Милюкова А.М., Ционенко Н.М. Магнитострикционный ме-ханизм образования мелкодисперсной структуры в стальных изделиях при маг-нитно-импульсном воздействии. Весці На-цыянальнай акадэміі навук Беларусі. Серыя фізіка-тэхнічных навук. 2016;(4):31–36.

12. Полетаев В.А., Потемкин Д.А. Энергетиче-ский анализ влияния магнитного поля на механические свойства стали. Вестник ИГЭУ. 2007;(3):1–4.

13. Ma L., Zhao W., Liang Z., Wang X., Xie L., Jiao L., Zhou T. An investigation on the me-chanical property changing mechanism of high speed steel by pulsed magnetic treat-ment. Materials Science and Engineering: A. 2014;609:16–25. https://doi.org/10.1016/j.msea.2014.04.100

14. Формирование структурно-фазовых состоя-ний металлических сплавов при магнитно-импульсной обработке / В.Л. Володин, О.Л. Хасанов, Т.В. Володин, В.Е. Громов, С.В. Коновалов. Новокузнецк: Изд-во «Интер-Кузбасс», 2011:221.

15. Гагарин А.Ю., Сарычев В.Д., Черемушкина Е.В., Грановский А.Ю., Громов В.Е. Им-пульсное магнитное поле для создания на поверхности металлов полей высоких тем-ператур. Вестник Тамбовского университе-та. Серия Естественные и технические науки. 2016;21(3):926–929.

16. Gao B., Hu L., Li S., Y. Hao, Y. Zhang, Tu G. Study on the nanostructure formation mechanism of hypereutectic Al–17.5 Si alloy induced by high current pulsed electron beam. Applied Surface Science. 2015;346:147‒157.

17. Cao X., Hu J., Huo W., Xi X., Zhao W. Sur-face microstructure and property modifica-tions in AISI 304 stainless steel induced by pseudospark pulsed electron beam treatments. Vacuum. 2021;184:109914.

18. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2020.109914

19. Maier A.E., Yalovets A.P. Mechanical stresses in an irradiated target with a disturbed sur-face. Tech. Phys. 2006;51:459–465.

20. Wang R., Cui H., Huang J., Jiang H. Effect of the continuous electron beam process treat-ment in the surface modification of T10 steel. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 2018;436:29–34. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2018.09.004

21. Ormanova M., Petrov P., Kovacheva D. Elec-tron beam surface treatment of tool steels. Vacuum. 2017;135:7‒12.

22. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2016.10.022

23. Wei Y., Qi S., Wang Y., Chu X., Sun Z., Wang J., Zhang L., Jia W., Yang X., Liu S. Microstructural evolution and tribological properties of M2 high-speed steel fabricated under various selective electron beam melting processing parameters. Tribology Internation-al. 2023;187:108749. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2023.108749

24. Малушин Н.Н., Романов Д.А., Ковалев А.П., Осетковский В.Л., Бащенко Л.П. Структурно-фазовое состояние теплостой-кого сплава высокой твердости, сформиро-ванного плазменной наплавкой в среде азо-та и высокотемпературным отпуском. Изве-стия вузов. Физика. 2019;62(10(742)):106–111.

25. Egerton F.R. Physical Principles of Electron Microscopy. Basel: Springer International Publishing, 2016:196.

26. Saltykov S.A. Stereometric Metallography. Fort Belvoir: Defense Technical Information Center. 1976;3:376.

27. Гайдук В.В., Роккель В.Р., Гайдук Д.В., Володин В.Л., Володин Т.В. Поверхностное упрочнение материалов с помощью магнито-импульсной установки. Сталь. 2004(7):87–89.

28. Гольдштейн М.И., Фарбер В.М. Дисперси-онное упрочнение стали. Москва: Метал-лургия, 1979:208.

29. Слухоцкий А.Е., Рыскин С.Е. Индукторы для индукционного нагрева. Ленинград: Энергия, 1974:264.

30. Samokhin A.A., Il’ichev N.N., Pivovarov P.A., Sidorin A.V. Laser vaporisation of ab-sorbing liquid under transparent cover. Bulle-tin of the Lebedev Physics Institute. 2016;43(5):156‒159.

31. Иванов Ю.Ф., Чапайкин А.С., Гусева Т.П., Романов Д.А., Громов В.Е. Преобразование структуры и свойств наплавки Р18Ю после высокотемпературного отпуска и электрон-но-пучковой обработки. Проблемы черной металлургии и материаловедения. 2023;3:62–79.

32. Трефилов В.И., Моисеев В.Ф., Печковский Э.П., Горная И.Д., Васильев А.Д. Деформацион-ное упрочнение и разрушение поликристал-лических материалов. Киев: Наукова думка, 1989:256.