автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.04, диссертация на тему:Обеспечение фретингостойкости конструкционных сталей методом лазерного легирования поверхности

Мшкгерство ocвiти УкраТни ХМЕЛЬНИЦЬКИЙ ТЕХН0Л0Г1ЧНИЙ 1НСТИТУТ

УДК 621. 893; 620. 187 На правах рукопнсу

Шалапко Юрш 1ванович

Забезпечення фретшгостшкост1

конструкцшних сталей методом лазерного легування поверхш

:ПЕЦ1АЛЬНОСТ1: 05. 02. 04 -Тертя та зное в машинах

05. 02. 01.—Матер1алознавство в машинобудуванш (промисловкть)

АВТОРЕФЕРАТ

дисертацЛ на здобуття вченого ступени кандидата техшчних наук

Хмельницький, 1993

Робота внконана в Хмельницькому технолопчному ¡нституп

Науковий кер!вник —Заслужений д!яч науки 1 техтки УкраТ!

доктор техн1чних наук, професор КОВАЛЕВСЬКИЙ В. В. Науковий консультант —кандидат техн!чних наук, доцент

КОСТОГРИЗ С. Г.

Оф1цн1ш опоненти —Лауреат Державно! премП Укра1ни, док!

ф1зико-математичмих наук, професор ПРОХОРЕНКО В. Я. кандидат техн1чних наук, доцент ОЛЕКСАНДРЕНКО В. П.

Ведуча орган1зац1я —Городоцьке версгатобуд1вне об'еднань

м. Городок. ХмельницькоТ области

Захист в1дбудеться „ " г/э^^^г^. 1995 р. о зас^данш спешал1зовано! ради К 068 47. 01. при Хмельницькс технологичному шститут! за адресою: 280016, м. Хыельницьк вул Гнститутська, 11. зал зас!дань...

3 дисертац1ею можна ознайомитись в б1бл10тец1 шституту.

Автореферат роз!слано 9 'А^ИШ^^ 199 року.

В1дгуки на.автореферат., з;ав1реш гербового печаткою, прос! направляти за адресою ради Шституту вченому секретарю.

Вчений секретар спец1аЛ13оваиоТ ради, кандидат техшчннх наук,

доцент ^¡ЙГ* ^ КАЛДА Г. С.

- 3 -

» - . I. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА.

. г'

Актуальтсть теми. 1нтенсивний розвиток иатно буд ± вно го комплексу, транспорту, косм1чно1 техн!ки поставило П1двищення довгов±ч-ност! 1 над1Яност! машин в один з преор*тетних напрямк1в розвитку науки. Самосмйнв виршення цих задач, починапчи з якает! маталу 1 ' зак!нчуючи техн!чноз этикою, в значтй визначавть р!вень про-мислового потенц!алу Украхни. .'.

Для машин, механ!зм1& 1 агрегат!в, працгаочих в умовах динам1ч-ного навантаж^ння, велика значения мае здатнЮть контакту тривалий , час збер!гати свох експлуатащйн! властиВост!.

Одним явиц в1дпов1дальним за втрату працездатносМ трибо-спряяенъ, в малоамшитудне в!брац1йне тергтя— руйнування поверхн! ме-талу в умовах фремнгу. В наш час серед метод±в управл!ння якютг поверхн! активно розвивавться тегноломг впливу на метали висококон-. центрованими дхерелами енергч?, одним*з яких в лазерна терм!чна /ДТО/ 1 х1м!К0-терм1чна обробка /ПХТО/.

'ЧЗастосування ДТО 1 ЛХТО дав позитивн! результата для широкого кола техноломчниг проблем. Але проведен! досл!дкення не достатн* для ц!леспрямованого-визкористання лазерной техн!ки в задачах движения фрет1нгост}йкост± конструкц!йних сталей.

В эв'язку-з цим, актуальним е завдання досл±даення фрет!нг- ■ короз!? металебгос поверхонь, зм!цнених лазёрним легуванням. Отрима-ний при-цьому стан поверхневого шару, володЮ широким комплексом влас-тавсстейг шоб впливати на ту множинметь явищ /б!льш 40/, як! Щювться малоамгаитудними перем1щеннями в спряженн* 1 приводять до ' порутення працездатяоем машини в- тлому. Треба додати, що застосу-'вання ЛХТО дозеолить отримати значну гконом!ю стратег!чних елемент!в при тих же результатах, що * при легуванн± всього об'ему металу трз-дицЫним способом.

Щль роботи. Досл1дити вплив лазерного легування сталей 45, ЗОХГСА, 20X13 на механизм $рет1гау в широкому д!апазо^ ампл!туд проковзування ± розробити технолопчн! рекомендац!? по застосуваннп ЛХТО з метов тдвищення фре«нгост1йкост* конструм!йних. сталей.

Для досягнення псстаглено! Ц1Л1 необх!дно було виконати достижения в.таких теоретичних та прикладная напрямяах:

/

1. Створення метод!в 1 експериментальних установок для вивчення

' процеспв фрикц!йнох взаемод!1 при в!брац!йному Teprt плоских пар.

2. Теоретичне досл!ддення процесу лазерного нагр!вання 1 оплавления поверхн±.

3. Експергалентальне досл!джеиня впливу технолопчних параметр!в на глкбину легованих щар!в, ix м!кротверд!сть та морфолопс.

4. Досл!даення впливу лазерного легування на фрет!нгост!йк!сть ма-тер!ал!в та на механ!зм фрет!нгу ,зм!цнеких пойерхонь.

5. Досл1даення триболог!чних властивостеЯ обробленях матер!ал!в при опром!нюванн! 'ix пгантським !мпульсом наноеекунднох тривалост! у режим! Шкрооплавлення.

Наукове проведения. Розроблен! метода t пристро? для досл!даен-ня матер!ал!в на зносост1Як1сть в умовах тангенц!аль'них ! нормальных динам!чних навантажень при малих /—0...I00 мкм/ ампл!тудах проков-зування /A.C. »1536254, A.C. »1672307, A.C. Я71804Э/.

Розрахован! температурн! поля по пряыокутному перер!зу променя лазера в ыетал!чн!й матриц! з врахуваннят/'теплоф!зич№1х характеристик р!дкох ! твердо! фази. За даними розрахунк!в отриман! д!аграми, як! дозволяють встановити ступ!нь завершеност! структурних перетво-рень в залежност! в!д'густини енерг!! та тривалост! 1мпульсу випро-Шнювання.

Отргеина як!сна металограф!я легованих иар!в стал! 45, ЗОХГСА, ' 20X13 в залеяност! в!д режиму обробки ! легувального елемзнту.

Досл!дкено вплив реяшм!в ЛХТО на форлування фрет!нгост!йкого покриття. Встановлен! нов! законом!рност! к!нетики фрет!нгу сталевих . поверхонь на етап! адгез!йно1 взаемод!х, вим!ряно в!броактивн!сть пари терпя до ! п!сля обробки.

Досл!джена фрет!нг-короз!я надмалих ампл!туд проковзування спркжених поверхонь при пульсугчому нормальному навантааенн! двох цил!ндр!в.

Практична п!нн!еть роботи. Розроблен! ! виготовлен! стенди для досл!дкення Епливу зм!цнввально! технолог!? на зносэст!йк!сть мате-р!ал!в при фрет!нг-короз!:.

Запропонован! способи вим!ру сил тертя з врахуванням жорстко-ст! контакту, що дозволило п!двкдити точнють вим!рсвання.

Розроблена програ'<а розрахунку темпе ратурних град!ент!в за поверхневих naptB при лазерному сплавленн .

' Запропонована тсхнолог!я дозволяе локально обробляти г;оверхн{ деталей кзаин, як£ зазкаить фргт!нг-короз11 i зб1лысити чао ix використання у 4-6 pasts.

Реал1за1Ня результат^ тоботи в промкеловост*. Запропонована технология була реал 1зована при обробц! деталей деревосбрсбних вер-стат!в, як1 Енпускавть на Городсцькому верстатобуд1Бному сб'еднанн! /и. Городок/. Оброблялнсь японочн! пази, Mi спя Шд посадки Мдпкп-HintiB кочекня на вали дсвбальних головок, шл±цеы вали, м1сця п!д кр±плення. дое6як!в, HostB, ipsa та iK. На автошдприскствах /к.Хмель нипький/змицнгтались. вали водяних rncociB, плщев! вали та детзл! порэнево! групи. Ексном1чний ефект т!льки в*д впровадження лазерного легування на Городоцько«у об'едканн! - 15 ткс.крб. на один сб-роблкзчиЯ центр е ц!нзх 1991 року.

Агтроб^ц* я роботи. Основн! положения докладе^ -а обговорен! на республ1канськску науковому сом1кзр1 "Технолсгичёские методы повышения износостойкости и усталостной прочности",м.Хмельницький,1939;

на республ}кансы^й науково-техн!чк1Я конференц!: "Проблемы и новые способы нанесения и регенерации покрытий из драгоценных и редких металлов", Чернпчв, 1Э8Эр.;

на всесосзн!й кауково-техн1чн!Я конференц!! "Проблемы повышения качества,-надежности и долговечности машин", м.Брянськ, 1990р.;

на всесовзШй науково-техн!чн1й конференц!? "Износостойкость мазган", м.Брянськ, 1991р.;

•на М1жреспубл1кансы;1й науково-техн!чн1й конференц!? "Качество и надежность узлов трения", м.Хмельницький, 1992р.;

на республ1канському ceniHapi "Новые разработки и ппьгг внедрения лазерной техники и технологии", м.Ужгород, 1ЭЭ0р.;

на «»народному симпоз!ум1 " Рггегш'апу strukturalne w stcpzch odlewnlczyc/i-teoria i efecty uzytkowe" Pzeszow, Poland,WSP, 1зэзР.;

на м!жнародному симпоз1ум1 по трибофатик!, Гомель, 1993р.; на га}жнародн!й науково-техн1чн!й конференц!1 "Удосконалення облаДнання легкот промисловост* та складно? побутовот техники", м.Хмельницький^ 1993р.

Публшап+т. По тем! дисертацп опубл!ковано II друкованих роб!т, отркнано 3 авторських св5доцтва на винаходи.

Об'ем та структура поботи. Дисертац}я складаеться з введения, п'яти розд»л1Е, висновмв, б!бл1ограф}1 та трьох додатк!в. Робота fhk-

- 6 -

ладена на 185 стор!нках машинописного тексту, 70 рисунк!в та II таб-лиць. Список використано1 лиератури складаеться з 160 найменувань.

ПР0Э1ШИ ЫАЛОАШШИУдаОГО .В1БРАЦ1ЙН0Г0 ТЕРТЯ В ПР0ШСЯ0В0СТ1 -ТА АВТОТРАНСПОРТ! ■ '

Падвищення фрет!нгост!йкост1 ношнально нерухомих з'еднань не може бути усп!шним без досл!дження фрет!нг-пошкоджень в реальних конструкциях, спряжениях та вузлах деталей машин. Анал!з сучаснкх проблем <£рет1нгу в триботехнЩ! проведено на основ! л!тературних даних, а також досл!дження фретигг-процес ! в у конструкц!ях автотран-спортних засоб!в автобус!в ""ЛАЗ-695", "ЛАЗ-695Н", "1карус-250","1ка-рус-255", вантажних та легкових автокоб!л!в "3UI-I30",TA3-53",nKA-MA3-55I", "ГАЗ-24","ЗАЗ-Э685Г, "3A3-II02".

Було проведено анал!з та систематизации дошкодкень елеыент!в конструкт i довбальних головок деревообробних центр!в 0K-IO4.II.

Як правило, д!агностування транспортних засоб!в, стосовно до ном!нально нерухомого з'сднання, основана або на суб'ективних методах контролю, або, при використанн! техн!чних эасоб!в, на вим!рюван- . нях Bidpauti, шуму, прискорення. Анал1з роботи ремонтних, служб п!дпри-смств показав, що при виэначенн! техн!чного стану автомоб!ля,не кон-тролвються в м!сцях спряжения деталей процеси, як* можуть бути в!д-повхдальними за працездатнють всього вузла в значний лерюд експлу-атац!1. 1гнорування цих процес!в приводить до порушень пркчикно-насл!дкового эв'язку д!агностування поламок, в!дказ*в, великому ■ • розходу палила. .,••'"...

Практично кокна функцюнальна система автотранспортного засобу зазнае фрет!нг. Це група деталей цил!ндро-порамево1 групи, блок ци-л1ндр1в, коренн! п±дшипники, розпод!лювальний вал, кривоягкпно-шатун-на група, шк!в,, шестерня t маховик коленчатого валу, мехашзми TpaHCMicii, МССТ1В. Широку гаму фрет!нг-пошкоджень в конструпикх автотранспортних засоб!в представлять п1&типники * спряжен! з ними поверхн! деталей. В робот! по кожн!й rpynt деталей зроблено деталь-ний анал!з пошкоджень.

,Цосл!дження за допомогою м!кроскопу решик , знятих з пошсодже-Hoi поверхн! показало, що м!кроскоп!чна деформац!я спостер!гаеться у вигляд! л!н!й ковзання, сл!д!в зсуву, вм'ятин,. хвиль на поверхн! металу.-В кюцях виходу дислокац!й,поверхневий рельеф набувае сх!д-частого характеру. JliHli ковзання переходять у смути ковзання t про-

[/

I

ф!,ть стае гвилеподКЗттам, харгт?ерн-л для екструз1Л та 1нтруз!Я.

В tibому роэд1л! анал!зугться" сучася! метода Я1дстечения фрет+н-rocrtihcocyt конструкц!йнкх матер!ал!в. Показано, qo s-ühod параметров стану поверхневого шаруыожна значно п±диоитя фрет!нгост!йк±сть робочот поверкн! деталей малшн. У нал .час, дякуючи досяггнонням в галуэ!- створення висох^енергетичних даерел еяесг!!, широко викори-стовургься лазерн± технолог!!. Доел1дження, як! проходять п!д ке-р!вництвом Яахт±на D.M., Коваденка B.C., Ковалеэського З.В., Прохоренка В.Я., Сафонова A.I., Григор'янпа А.Г. та 1ншях, показали, що за допомо~ов лазерного легуання молена створвватя поверхнез! паря э ун!калыдаги властивостями, що дулю вазгаиво для пригн!чування окислюйал'ьних процес!в та гб1льшеняя контаетно? зтоунс? м!цност! при фрет!нг-короз!1. Але, маючи ряд уткальнкх момяъостей, лазеряа технолог!я поки не знзйша свого застосузання як xtutKO-repetma. обробка з liSTcc зб!льиекня зносост!йкост! при фре?!ягу.

випробшння та тзсналогсчнз УСТАТкшшя, язгоят ЕШШШШТУ' t ДОСИДШУВАН! ИАТтдли '»

. , , , ' " с v,< «-Для дошцдження можливостей збш>яення ipsTiKrocTt3.=toeri, ппт-роко викчр^сто^уван!» я мажинобудуваянt вутгепез»! стал! 45, ла—звано? ЗОХГСА t HepatàsiB40Ï 20X13 буза peaaiaosana т°знолог!я лазерного дегування на устансзц* "Кваят-ieU". Пря яарувзнн! взодиаи поро-

впш Nb.Cr,W,Ca. MotTi,m -ra treat.

Обробку зразк!з тз експеркаеятадьноЗс napïtï деталей кзззтя про— еодялз за розроблензога тезегололчняп» рстиекя'з 50% пгрекряттям обребливалъних дЬаянох.

Потуюнст-, техножнччного хаз spa до bû Да» Лагуваиня зд!йсн»ва-дось через обмазку ка основ* 1С£ розчияу клее Ш-2 а ацэтон!. К!дь-к^сть обмазки ра зрвзяу юнтрешавелась еаговя* методом. с

Для каяееення твердосплавного повсриття аикорястовувадаеь уста-HOBsa 'GISA-EII*. Матер!ал елеггроду - сплав EKB.

Зрет-tHrocTtkittCTb одерланях искрить досз!дхувадн на. две* ви-пробува..ьнах стендах. Дереа установка реал!зув.в-нтакт плотина -плогриа. Частота Biöparur рухлявого зраъ<су:?0,60,50,40,30 t 20 Гл. , амплитуда в*даосяого гэок^взуванн?:1. .150 шш, махсгагалыпгЯ тиск егденення зраЗ '-iB 140 Ша. П!д час вяп^обувань зн&лхтсь дан! по

в iбро активност ! пари тертя. Друга установка мод лес процес фретйгг-Kopo3tí, яка виникае в ном!нально. нерухг мх спряжениях в межах кон-турних площин контакту. Розглядався динам!чний контакт двох цял!н-др!в по тв!рн!й, фрет!нг-короз!я у яких винияала на лврефер!! прию-кутно1 площини контакту.

Розглядався динам!чний-контакт двох цил!едр!в.по тв!рн!й, фре-Т1нг-короз1я у жих виникла на перифер!! прямокутно! пллцини контакту. _ ' ■ ■. '• • '■*..

М!кроструктури зм!цнених зон вивчали на M!Kponuii$ax з викорис-танням мэталограф!чного м!кроскопу "MÍM-I0".■Концентрац!» легуваль-них елемент!в в зон! легуваяня t терм'чного впливу виявляли на прис-тавц! ензргодисперсного рентген1вськоГч> анал!зу ВДАР на баз! растрового MiKpocKony РШ-1ПЩ. йазовий склад легувального шару на диф-рактомзтр! "ДРОН-За". М!кротверд!сть поверхневих шарiв вим!рювали на м!кротвердомер! ШТ-3 та твердомер! IT 5010-01.

Питомя ыасове зношення вим!ряли на анал!тичних вагах ЕЛР-200М з точнюта 0,00015 г, площа враяення в!д ^рет!нгу на !нструменталь-ному MfKpocKont

313ИЧИ1 0СК03И ЛАЗЕШ0Г0 ЛЕГУВАННЯ .

Вивчення можливостей лазерного легування в+дносно до пробле"ч усунення фрет!нг-знощування немо-ливе без досл!дження механизму насичення та прогнозуЕ ння властивсстей поверхневого шару.

Висок! швидкостя процесу плавления та кристал!зац!1 не дозво-ляють спостерiгати за процесом легування безпосередньо, а т!льки за "замороженимя1* малшками структур на поперечних шл!фах. Розгля-давчи в пзрер!з! легоБаниЯ шар п!сля одноразово! д!х лазером, спос-тер!гагться те;«« i св!тл! розводи вихреврго характер: збагачемг або об!днен! легувальними элементами. Розм!ри них розвод!в в!д 50 до 100 Mxa.-ix $орма св!дчить про те, що в перЮд перебування роз .( ну в редкому стан!, в ньо'7 д!яли сали, як i створили турбулентн! пг теки. '

ЗагальноприЯнята модель масопереносу зумовлена залежн!стю Ko¿í?uisHry псверхневого натягу в!д темиэратури. В зон! роз плат/- вц киказ нер! вн;м!гн~ нагргтиЛ шар р.^сого металу, на товерхн! якого 1 ~*»-?ь сили псЕэрхневого натягу, направлен! з центру зони розшиву дс.

V _ 9 -

перифер!!. В глибин! ванни розплаву виникае вихровий ру,, заф!ксо-ваний при одноразовому опром!ненн1.

Ыеталограф1чн1 досл1дження дозволили эд!йснити уковну 1денти-$iKaniD виникасчого температурного малшка по структурно фазов*й ■ неоднор1-дност! у ванн! розплаву. Встановлено, цо piEHOMipHicTb розно-д!лу легусчкх елеменпв, м!груючих з noE^pxHi в глкб ванни, зале-жить не «лыси в!д температурного град+енту, але t В1д оптично? сис-теми, стану активного елементу, ступеня розфокусуЕання, а також тепло-&зтнгх властивостей легуючих елемент}в. Ступ! ь заповнення ванни розплаву, при ±нтих р!вних умовах, залежить в}д температуря плавлен-.нг. матер!алу якиЯ вводиться. Чим виг;а температура плавления, тим бНыв неоднор*дний розпод!л легуючих елемент!в, тим б!льи необх+дна густина eneprii лазерного опром!нення для повкого заповнення ванни. При одноразовому опром!ненн1 повне перем!шування проходить при £= 3,5...4 Дж/мм^.

Процес взаемод!г лазерного випромиговання бур описаний в рамках чисельних уявлень reoptx теплопров!дност*. Оптична система установки . "КВАНТ-18М"-формуе в прямокутному nepepi3t лазерного випроыГнсвання норкальний розпод±л гуотини eheprt'i: ^ ■

Efx^Emoi-expfa^p)

Hairo було отримано нестац!онарне ршення, яке дозволяе про'с-тежити нагр!вання t плавления mapiB металу при легуванн!. Вир1пэн-ня г. трьохм!рним: враховустия симэтр!я променя лазера Й закон pot юд!лу ei.aprii. Вир4щпзчи pi вишня тьллопров1днос« Зур'е, було еиз1 гчено температуру нульового вузла в момент часу At. , через температуру навколитих вузл!в в момент часу ~t :

V^ro-frW+VTi'Wl-frfb)-!?

де - число Фур'с;

Ti - тег~ература L -го вузла;

1=1...б;

То - температура граничного, кубика.

•Температура на границях.визначалась л!н1йнов апрокс1мац1ею температурного.поля:

. Ti-To-Ъ-Ъ

На рис.1 показано розрах;^ вий розпод!я температур за глибиною

л

S5 *

с

§t Б е

2"

з:

Mi

6 ¿

s 25мхм Ф

75 / >

/ 175 Ч <25

& 225 5Г5

Рис. I. РозподШ температур в noEepxiîCKix cnpax nsrarv при лазер;оиу оплавлегш! кеталу. Е = 3 ± }„„.= 6хЮ"°с.

Voto/,., ,5 Л сек

X105JL

8

Г5

Í25

J V ! I '

Г I i i i • j \ I \ * i X

I i \\. • ! XV V.

г ^^^^^ i

Рис. 2. Зм1ка пвидкост! охолодаення рдзплаву за глибпгсв поверхне-вого шару при j)i3HKx режимах orgpob'tHCHHfi. ,

- II -

поверхневого шару при !мпульсному опром!ненн!. Тангенс ;сута нахилу кривих в!дпов!дае швидкост! нагр!вання. При ньому спостер!гаеться наступна картина: при досягненн! температуря плавления верхн!х ша-р!в, вони поглинають енерг!в, яка йде т!лькй на плавления даного об'ему металу, а нагр±вання нижчих шар±в р!зко спов!льнюеться.

Так при лазерн!й обробц! в- режим!" Е =3 Дж/мм^ та тривалост! !мпульса бхЮ-^ секунда, розрахункова швидкють нагр!вання на глишй 75 мкм до початку плавления вищележачого шару була 10,2хЮ^град/е, а п!сля початку плавления - ЗхЮ^ град/с. Розрахунок температурних пол!в дозволив отримати дан! про швидкють охолодження на р!зних глибинах ванни. розплаву в залежност! в!д режим!в обробки /рис.2/. Така значна р'!зниця в пшидкостях охолодження за глибиною, приводить до зонально? л!квац!1 в середин! вани розплаву ! високих температур-них'-напружень, що 1 шдтвердили металограф!чн! досл!дження.

Просторовий розпод!л температуряих пол!в в'перер!з! променя лазера, дозволив розрахувати ефективну площу лвгування поверхн!:

де 5Л- площа оплавлено! поверхн! г 5а~ площа опром!нюванно! поверхн!.

За результатами розрахунк!в були побудован! д!аграми, як! дозволили визначити режими, що необх!дн! для реал!зац!1 на поверхн! тих чи !нпп«с ф!зичних процес!в, починаючи в!д переходу стал! в аустен!тний стак ! зак!нчувчи активним випгровуванням.

Д0СЛ1ДШШЯ Ф13ИК0-МЕШ1ЧНИХ ВЛАОТШОСТЕЙ, СТРУК1УРИ ТА

СКЛАДУ ПОВЕРХНЕБИХ ШАР1В П1СЛЯ ЛАЗЕРНОГО ЛЕГУВАННЯ

Як легуюч! елементи використовувався ряд перех!дних метал!в:

/ розташован! по зроставч!й ступен! опор!дненост! з вуглецем та ст!йкост! карб!дних фаз/, а також хх сум!ш!.

Встановлено, що структура та властивост! легованих: шар!в зале-жать в!д типу елемента, який вводиться, та режиму опром!нввання.Тому досл!дження проводились для кожно! стал! ! легованого матер!алу окреыо. 3 точки-зору м!цносних та антикороз!йних властивостей пок-рить, як! отримуемо, перш за чсе грае роль стуП!нь завершеност!

структурних перетворень, р!вном!рн!сть легуючих елемент!в у ванн1 розплаву, !снування перех!днох зони та поверхнева м!кротверд!сть. При однаков!й товщин! обмазки единим технолог!чним.параметром, який визначае перерахован! властивост!, е густина eHeprii лазерного випром!нювання Ё /Дж/мм2/. 1з зб!льшенням густини eHeprii зб!ль-шуеться зона легування, незалежно в!д окладу обмазки." Керуючись розрахунками III розд!лу, на основ! якого можна було прогнозувати розм!ри зон легування та зон теры!чного впливу, була зд!йснена об-робка вразк!в в межах Е « 1,5...4 Дж/мм2 з кроком 0,2 Дж/мм2..

Дорогове значения Е , коли не в!дбуваеться легування, тобто б!льша частика легуючих елеменмв не вступае у взаемод!ю з матрицею, находиться в залежност! В1д темпера тури плавления матер!алу обмазки. Так, при легуванн! ста« ЗОХГСА вольфрамом сп!льна ванна розплаву утрорюеться при Е =2,5 Дж/мм2, а при легуванн! н!келем Е «=2 Дж/мм2. Легований шар, ъ цьому -випадку, характеризуемся грубою, в!дносно м'якою структурою, вазовий реэтгеноструктурний анал!й показав наяв-н!сть твердого розчину замйценш? легуючих елемент!в в£-зал!з!. к!кротвёрд!сть ц!е1 стдктури в зон! плавления /ЗП/ нижча м!кро-твердост! зони черничного впливу /ЗТВ/. Так,Т1ри легуванн! стал! 45 хромом, м!кротверд!сть ЗП складала "5000 Ulla, а ЗТВ—7000 МПа.

Максимальна м!кротведд!сть отрямана" при легуванн! стал! 45 н!об!ем 1 складае 14000 ЫПа, для стал! 30ХГС1 та 20X13, 12000 та 10000 Ша Е!дпов!дно / Е =3 Дж/мм2/.

Зони Шдвишенох м!кротверцост! зв^язан! з карб!доутворенням ■при легуванн!. Рентгеноструктурний -анал!з показав, що найбхльш . смйкими до розпаду при швидк!сному нагр!йанн! с. карб!ди, як! магсть просту кристал!чну реш!тку /фази проникнення/, наприклад, NbC, Nb2C дтеугчи яким, легований шар робиться арм!рованим цими карб!дами. Для кожно: стел! були визначен! ражими легування, як! забезпечують максимальний'вмют у розплав! д!лянок з Шдвшценою м!кротверд!стью. Ыеталограф!чн! та дюрометричн! ,досл!дження показали, що м!'кротвер- , •д!сть ЗП напряму пов'язана з процентним.складом вуглецю в стал!.

При зб!лыпенн! 'ЗП зменшуеться концентрация легуючого елементу. . Тому при велик!й густин! eHeprii Е »3,5 Дж/мьг, карб!доутворююч! .-фази розчиняються в цементит! з утворенням легованого цементиту, наприклад (Ffi,CrjjC. 1з зб!льшенням вм!сту легуючих елемент!в утво-

рмэться оклада! карб í ди (Cr, FejjCs, (Сг, Fe)i_z С б та ÍH- Легування вольфрамом i мол!бденом при 1х к!лькост!, яка перевищуе межу наси-чення цементиту, дае на рентгенаграмах кр+м л!н!й<£-зал!за, л!н!х П0ДВ1ЙНИХ карб!д!в Fe3VJ¡0(FeiW¿C} та féjAfcj с(Fe¿Mo¿C) . Ц! карб!ди píBHOMlpHO розташован! по об'ему ванни розплаву ! не дагть сутте-вого приросту_м!кротвердост!. Задачою в цьому випадку було знайти так! режими опрам!кювання, коли карб!ди знаходюшсь би поза розчину у виглдц! окремих*агломерат!в. Тод! залишковий аустен!т стае менш ст1йким 1 перетворення ]¡— <£ проходить б±льш повно. Це пояснюеться тим, що карб!ди е центрами кристал1защ?, а також тим, що в присут-hoctí нерозчинених тсарб1д1в аустен!т зб!днш'ться легушим елементом i вуглицем.Режими в облает! 2,3....3 ДжД™ найб!льш прийняттйдля зм!цнення, оск!льки дооягаеться повнэ лерем!шування металу в Еанн! i утворюеться р!вном!рна структура з максимальною тверд!стс. Легуван-ня кобальтом розширюе режими легування з гарантеванов висскоп mí-яротверд!ств, так як це сдиний елемент, який прискорюе !зотерм!чний розпад аустен!ту 1 п!двищуе температуру мартенситного перетворення. М!кротверд!сть стал! ЗОХГСА с глад ас 10 ООО ЫПа при гдибин! ЗП 280 ккм.

Локальний м!крорентгеностпектральний анал!з показав, що при рекомендованих режимах легубання концентрац!я легувчих елемент!в в ЗП розпод!лена р!вном!рно t складае 1-10% . £ ЗТВ легувчих елемен-т!в не виявлено. При Е =2,8 Дж/мм^ спостер!гаеться р!зке г.ад!ння твердост! в ЗП у границ! з ЗТВ /Рис.3/. Цад!ння м!кротвердост! пояснюеться зниженням вм!сту легувчого елементу та зневуглецьовуванням. ЗТВ в цьому випадку мае структуру мартенсита.

Лазерне випром!нсвання використовувалось при обробц! електро-!скрового покриття з твердого сплаву ВК8, нанэсеного на установц} EJI5A-54I. Це дозволило зб!лыпити адгез!ю покриття з основою, л!кв!ду-вати терм!чн! тр!щики та зменящтк середньоарифкеткчну иорстк!сть-з Ra =2...4 мкм до fia «0,4...0,8 мкм. При б!льз глибокому оплавленн! гексагональний карб!д WC переходить в Ky6i4¡rnnWC та що п!д—

вищуе м!кротверд!сть на 1000 Ш1а.

3 метою отримання б!яьи тонких функцюнальних покрить, лазерна установка була модернизована шляхом переходу до режиму генеращ! г!гантських !мпульс!в. Для цього використовувався внутр!шньореэона-торний пасивний оптичний затвор на основ! кристалу LiF з центрами

окраски. В залежност± в!д ензрг±1 накачки, отлично! густини 1 втрат в-резонатор!, за час шпульса накачки генерувалось в!д I до 10 г!-гантських !мпульс!в випром1нювання тривалютю Ю-30 наносекунд. При опром!нен! сталей вадбувалось легування з внутр!шн!х джерел I фор-мувалась тонка аморфна пл!вка оплавленого металу товщиною до 10 мкм 1 Иа =0,3-0,8 мкм, що не потребуе подальшох шл!фовки поверен!.

<5

§

I :

"«а

// Л— ^.1,0 А* т /пнг

' / —

/ 7 5А* 1 Н \

,нкм

о

М

80

/20

/60

¿00

Рис. 3. Розпод!л м!кротвердост! за глибиноо в зон! лазерного впливу стал! 45, легованот н!об!ем.

ЕКСПЕИШГГАЛШО-ТЕОРЕПгаЕ ДОСЛЩШНЯ ЗН0С0СТ1ЙК0СТ1 СТАЛ1 П1СЛЯ ЛАЗЕРНОГО ЛЕГУВАННЯ В УМОВАХ «РЕПНГ-КСРОЗ!!

Анал!з будови та властивостей оброблених поверхонь показав, що вони масть широкий комплекс властивостей. Випробування зразк!в проводили за схемою площина-площина. Тиск стиснення зразк!в зм!нгвався Ыд Ю до 40 ИПа'. Аыпл!туда проковзування зразк!в 50-60 мкм. Контр--чгаяок - сталь 45, термооб; облена /Н!1С 42-45/. Дан! умови випробу-вадь Е4дго?1даг1ть реальжм умовам експлуатацп ном!нально-нерухо-ми». з'еднань деталей маши. ■

В1домо, гр при фрет!нгу тонкий поверхневий шар металу знахо-диться у високодисперсному стан!, актив!зуються процеси дифуз!! 1 втокн! явкца на контакт!. Складяий взаемозв'язок ф!зико-х!Шчних прсцемв при- фрет!нг-короз!1, значке число фактор!в, як! зуыовлюють IX активн1сть в конкретному випадку, робить лазерне яегування ун!вер-сальним способом тдвищення фрет!нгост!йкост!. При випробуввннях .критер1см фрет!нгост!йкост! було питоме вагоне зношення.

Лазерне яегування у вс!х без впяятку випадках змэншуе вагов! втрати зразк!в при фрет!нгу у пор!внянн! з в!дпаленюга ! загарто-• -"ваними зразками. Найыльиоп фрет}нгост1йкостю з ряду дося!джуваих зразк!в мала сталь 20X13, легована н!об!ем /Е =2,9 Дж/мм^/. При цьоыу режим! поверхневий шар иае найб!льшу м!кротверд!сть за раху-нок карб!д!в н!обхя, а такое достатки глубину ЗП /200 шел/ та р!в-нои!рний розпод!л легуючнх елемент!в. 3 числа елемент!в, як! вводились, Щоб!й 1в..йб!льи ефективяий ст для стал! 45, так 1 для ЗОХГСА. I хоча м!кротверд!с?ь п!сля обробки гг.ос сталей габагято б!ль;га, hi.it для стал! 20X13, питоне рзгоез знс^сжя у !~гх из 20% б!ль~з. 0™с, спляз и^кротвзрдос?! па фрз?!кт-гнэ:г2гая на 5геЕна оцИговати однозначно. Очевидно, пр для зб1льг;е!шя зносост!йкост! при фреингу нер-2ав!с-г:ж сталзй нзобх!днз збмызуватн За!кротвзрд!сть, а для вугло-цевг-зс сталей гб!льц>г2зтл иороз!йну ет!йк!сть. В перяому вкладку це достигаться в рззультат! еисокопепдмсногс? нзгр!вання-охолодгения та утгорекияч кзр5!д!в, в другому йтпадку- утворгшш.! легованого мартенситу та птвек типу Сг^О} .

Е-лл1р75вплп:л нгтлалькпх перэм+цень в гнет доткку зразмв, як! грутьзя, дезпо.тило вкзиэтэта час активно! адгез!йно! взаемод!! при 3 гтрг™сс срзт1нгчг Епявлсио "негативного"

кс-7;! срас:::г гогсуг.-г^ться. При цьо'у ветиказ сг^чплй р!ст с или тертя тз те1:генц!йнкх в!бропр::скорэнь перухо\:эгз зрззгту. Досл1дгекня тог.сграф!1 поззрхн! тертя ка цьоиу етап! дозволило ощ-Н!!тк роль адгаз!1 в розвттт^у фрет!нг-короз!1, як мадгйковашк, так 1 вкхюткх катер!ал!в. Було запрспонсвано кехан!зм фрет!нгу на поча-тков!й стад!!, коли короз1й:п;й фактор не проявляеться в попн!П 1 руйнувакня о-иенпх пл!вок перепажае над IX в}днэЕлекням. Колива-льк! тапгенц!йн! рухи ведуть'до накопичекня зр!заного металу г>*к ловерхнпи. Провес розизруванни поверхневкх сар!В металу. сулровод-гуеться двогла Еанливмга яеецзмн, як! багато'в чс:гу зуковлгвть про-

- 16 - у

нес 31-: лення при фрепнгу: зфорыаць.яим змщненням та утворенням м!кротр!щин в М1сцях перес!чення пяощин ковзання, що роэповсодвуиться '■ ' в пл^щин! головних напружень гид кутом 45° до поверхн!. Досл1дження п1дповерхневих шар!в показали, /чо лазерне легування веде до того, що при фрет!нгу локалюуються вс! деформац1йн!' явица в тонкому по^зрх-. невому шар! 1 механ!зм зношення з облает! 'малоциклово1 втоми переходить в область багатоцкклово!. .

Стендов! випробування показали, що фрет!нгост!йк!сть корелюе з пер!одом адгез!йно1 взаемод!1 поверхонь. Найб!лы^ий пер!од був для легоьано1 стал! 45 та ЗОХГСА мол!бденом, найменший - н!об!ем. Лазерне легування сталей дозволило зб!льпити фрет1нгост!йк1сть при таких умовах випробувань в 8-12 раз!В у пор!Бнянн! з термообробленов. Коеф!Ц1ент тертя зменпуеться з о,1?.до 0,28 на стад» адгез!йно1 взаемод!1, з 0,5 до 0,35 на етап! усталеного фремнгу.

лазерна обробка електро!скрового покриття з карб!ду вольфраму робить модиф!ковану поверхню практично беззносною при фрет!нгу, але т!льки при зовс1м пом!рному тиску ло 3 1С1а. Зб!льшення «гиску м!ж зразками приводить до катастроф!чного знощування через склоне фраг-ментування твердо1 к!рки карб!ду вольфраму, яка д!с кк абразив на • М'яку основу-.

Ефективнють обробки сталей випром!тэванням наносекунднов .три-валЮтю, вивч£.лось при малоамплнудному фретмгу /2...5 мкм/, який ±н!Ц!свався на перефер!1 площини контакту двох цил!ндр!в, як! кон-тактують по г 1рн!й. Зг!дно уявленнь Джонсона та п!нег.!на були вид!лена зона проковзування t отнено вплив на площу фрет^нг-лош-кодження сл1дуючих фактор!в: радиус!в цил!ндр!в, тискуЧ тангенц!й-но! складовох с или стиснення. Лазерне опром!нгвання приводить до частково1 аморф!зац!1 поверхн!що зменшуе поразки взд фремнг- . . корез!1 при цих випробуваннях в 3 рази для стал! 20X13 та в 1,8-2 рази для сталей 45 1 ЗОХГСА.

0Ш0ВН1 ВИСЯОВКИ Ш .Р0Б0Т1

I. Проведено анал!з та систематизацю фрет!нг-пошсодженъ функ-ц!ональних систем автотранспортник засоб!в. Робота ном!нально-неру-хо^тпе спряжень характеризуемся несталими режимами в умовах дина-м!чних та ударнкх навантажень. При цьому ефективним засобом припинен- !.

/и-

ня фрет!нг-процес1з для багатьох матерtал!а t уупв експлуатац!! мо-же бути зм!цнення поверхн! за допомогог лазерного легування пере-х!дяини металами. ■•.' -'•'

2. Були розроблен! випробувальн! стендгг /A.c. 31536254/ та способа вотиру слит тертя при фрет!нгу /A.c. .'Я672307, A.c. .>1719049/, як! доЗволясть атримати бшьш широк! умови випробувань та п!деищити ; точнють вим!рювань'.

. 3,-Металограф!чн! дос~!дження легованих структур показали, що ■ Головний метан!зм м!грац!1 легуших елемент! в— конвактивне перем!щу-°ання у ванн! розплаву. Рухаючи:,::! силами процесу е сили поверхневого •. натягу, яя! залежать "!д температурки.: град!ент!в.

4. Методом ск!нчених р±зниць розрахован!' температуря! поля в nepepiat зм!~нених шар!в. Отриман! значения швидяоетей rorpisy-oxo-лоджёння при импульсному опром!ненн! на р!зних гяибинах. В залежнос-т! в!д глябини ванни, температурной град!ент може в!др!знятяся в 2-3 рази. Розрахован! плоц! легування на поверхн! пои прямокутн!й форм± променя дазера. Складе"! д!аграми для визначення розм!р!в ЗП та ЗТВ для р±зних режим!в обребки.

5. Досл!джен! ф!зино-механ!чн! властивост! легованих шар!в. Най-бАльша м!кротверд!сть отримана при легуванн! сталей н!об!ем /120С0-14^00 МПа/. Встановлена роль карб!днох фази в зм!цненн! та режиыи с.-ром!яе"чя, як!~'забезпечують нерозчинен!С-ь карб!д!в. Основе • лего-ванога шару d метастаб!льний твердагй розчин зам!щеншг легуотих елемент!в"в Х-зал!з1 а хх вмктом 2-6%.

6. Адгез1я s найвааитвизим фактором, який визначае ексгшгатац!й-н! властивост! поверхонь. Бона приводить до эношування на ранн!й стад!!» вкасл!доя роза?рування металу та сприяе зародженнхз етошгв-. вальних субм!1.ро-та м!аротр!щин у поверхневому шар!. Практично з перш«х цикл!в навантаження у локаяьних об'емах поверхневих шар!в формуеться др!бноДисперсна субструктура» яка характерна для высокого ступеня двформац!?. ■ .

7. Яазерне легування пе.^мх!дними металами дозволяв гнучко регу-лювати структуру, а , отже, ! трибоф±зичн± властивост! поверхн!.3но~ состоЯк!сть доамджувайих сталей зростае в умовах фрет!нгу у 3-12 раз!в. Опром!нення електро!скрових поверить робить ix практично не--:тошувайими при тиску- до 3 Ш1а. 3 йдажу випадку в!дбуваеться к^та-стро^чне абразивна знот

8. Ыодерн1зац1ао установки отриман! пгантськ! 1шульси трива-л!ств 10-30 наносекунд. Тонкий ткроопдавлений шар /за данями рент-геноструктурного анал!зу аморфний/ зменщуе роз виток фретшг-корол ti при над мал их амшитудах проковзування в 1,8-3 рази t не вима1де дов!дних операц!й оброблено! поверхн*.

9. Результати роботи впроваджен! на Городо.цькому верстатобуд1в-ному об'еднанн!. За розробленов технологчев оброблялись м!сця спряжения деталей деревообробного верстата 0K-I04. Еноноыгчний ефект

на один комплект деталей оброблхлочого центру склав 15 тит.крб. за ц±нами 1991 року.

ОСНОШИЯ 3KÍCT ;2СЕРГАЦ1:1 НАДРУКОВАНО У ТАКИХ РО"ОТАХ: "

1. Исследование напряженно-деформированного состояния поверхностных слоев упрочненных деталеЧ/ ¡¿зялун В.Г., ¡Ьрченко ВЛ., Шадапко Ю.К.//Известие ЁУЗов.Машиностроение, IScS.-II.-c¿7-I0.'

2. Получение комбинированных покрытия методом лазерного е^луче- -ния/В.В.Ковалевский, Т.В.Тарасова, Е.й.Еллапкз/ЛГпуди 7-го 'международного конгресса ао тердао^ра^отяе. Москва ,ISSC.-с.435»437

3. Исслецованлё износостойкости покр.'.тий, полученных методам лазерного упрсчнена^/А.А.Овчинников, З.Й.Шалапко//Управленкг три—, батехническими и пс очностными свойствами механических сиетеуг

Сб.научных труов ХШ-Хмельницкий, 15аО.-с.<Г-Г4.

4. Установка для исследования поведения стека п^и фреттинге/ D.E.Ковалевский, С-Г.-Хостогрыз, Ю.И.Еалалхо// Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции т.!зноссстойкость малын". Брянск, ISsI.-c.156-157.

Резонансные о^фекты трения"в номинал* »-> неподвижном контакте при мало амплитудном фреттннге/С.Г.Хсстогркз, В-¿.Ковалевский, " • .£.!!.!алаггхо// Трение и h3hcc.-ISSI.-t.2.-3?.-c.45S-4C I.

6. Лазерная гбра :отна посадочных ы~ст подшипников качения с целъв лг шгекия их ^реттиятсстсйкссти/Ь.В.КозалеЕ^кай, ЮЛ'Халапко/ Тезисы докладов республ.наут-.о-техн.кон}."Материалы л упрсчяяяцге . тгхнслагии'.Кур^к, IS52.-c.72-7j.

?. ?яспесим8нтядьно-те .регвеские исследования илгашивакия стэ-

45 в yc.-:s;"_íx {реттинг-хсррсзжь^.И.Еллг^ло// Тезисы дскл.меж-r ; с r у "i л. и а; ч н ~ -т е * н. гх ."i ч ее ~ г о и надежность-трения".лыелъкяуа*»,.

ü. ск-пргге-метлд определения толщины т:'нктс ^прочкяг-с-к л'.?ры- ' -.'?.'5.г.КсК!легп.:йЯ, Г.'.!.Салаако//5*водская ла^рятс-

V-c.53-55. . *

«

Лазерное легирование в задачах трибологии/Ы.к/. 115га1арко, З.Р. 1а$ра/ГРгц*иепу НгиЫигв1»е »V йорасЬ аИемтсгусб - {еогщ / "-Ргагго&^Ъ-с. 5Н/

10. ЗапобГгання фрет1нг-короз11 кснструкцЦ1них, стмей-лазерким . легуванняы поверхн1/Б.З.Ко8алевський, ЕЛ.Ёалалко, С.П.Заспа// Тези м!жнародно1 конф. "гКонструкц1Ян1 та функц1ональн1 матер1али". ■ 1ье1в "1ьв1вськ8" пол1техн1ка", 1593.-с.5а-59.

II:. Зоделирование процесса лазерного нагрева при термической обработке-конструкционных сталей /В.В.Ковалевский, Ю.И.Шалалко, А.В.Ткачук //Тези м«жнарод.науксво-техн.кон$. "Ецосксналення обладания легко! промисловост! та складно! лсбутово|. техн1ки" Дмель-ницьхий, 1593.-с.75-75. .,

' 12. . А.с. #1536254 СССР, КК1 013/55. Установка для испытания материалов нз контактную Еынослив'ост£/С.г."костогрыз, В.В.Ковалевски* Б.Т.Каплун, Б'.А.Ляпенко, З.И.Еалалко и др.//Опубл. I5.CI.S0. Бел. #2. ■ • .-

13. А.с. И672307 ..СССР, МИ 01 15/02. Способ измерения силы тренир//Е".В.КовалеРскиЧ., С.Г.Костогрыз; Е.'А.обитнев, СЛ'.Паляпкс и др.// Спубл- 23.С6.61.Бюл. »31.

14. А.с- »171ЬИ9 СССР, ¿201 01 19/С2. Способ измерения силы ■трения/Б.Б.Ковалевский, С.Г.Кэстогрыз, Е.А.Збитнев, Е.И.Еагапко и цр.//СпуСл. 07.03.£2.Бел. №9. ~ ■ '