автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Поверхностное упрочнение стали дегированием при лазерном нагреве с последующим азотированием



МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ

ЧУДИНА Ольга Вингоровна

УДК 66.045.516:661.7.059.24+621.785.532

ПОВЕРХНОСТНОЕ УПРОЧНЕНИЕ СТАЛИ ЛЕГИРОВАНИЕМ ПРИ ЛАЗЕРНОМ НАГРЕВЕ С ЮСЛЕДЛИМ АЗОТИРОВАНИЕМ

05.02.01 - Магэрпадоэвдвнив в машиноо троении (Црошналваиосгь, гранспорг)

АВТОРЕФЕРАТ диооертшши на ооиокаяия ученой огвпони каядадагв мхяетеоких наук

МОСКВА 1989

Paöora выполнена в Московском ордена Трудового Краоного 8а«ывнг азгсшойаяьао-дорохнм aaoisxyte«

Научная руководитель •> доктор гехяэтеоких наук,

профвооор Коган Я.Д.

Официальные оппоненты - док юр гвхаячеоких наук,

профвосор Щур Е.А.; кандидат хвхнгчвохих наук Гуляева Т.В.

Ведущая организация - Иаониут ыагаллургии

им.А.А.Байкова АН СССР

Защига оооюигоя *'/?'* 1990 года в %

■а 8аоедааии опециа визированного совета Д.053.30.03 при Ыооков-окои ордааа Трудового Краоного Знамвив автомобильно-дорожнои нногитугв по адреоу: 125829, Мооква, ГСП-47, Ленинградский проопекг, дом.64, Мооковокий ордена Трудового Краоного Знайени автоиойияьно-дорокаый институт, ауд. Ш. .

С диссертацией южно огдакоыигьоя в библиотеке института.

Автореферат раэоолаи года.

Справки по гелефоду: 155-01-59.

Ученый секретарь специализированного оовега кандидат техаичэоких наук,

доданг М.А.иогапсв

" ' Г. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

-.с.

у.-^Актуальность темы. В "Основных направлениях экономического к ШШШЬ^ развития СССР на 1986-1990 года и на период до 2000 >да" отмечено, что одним из ваннейшх направлений научно-техни-эского прогресса является повышение качества металла, экономное юходоваше сырья, а гаккв у окоренное развитие принципиально но-« упрочняющих технологий, таких как лазерная, плазменная и др.

Для деталей машш и агрегатов, работающих в уаловиях изна-явания, знакопеременных нагрузок, высоких температур, скороотей давлений, а также агрессивных сред большое значение име- ' г свойства поверхностного слоя. В настоящее время срада г-егодов эверхностного упрочнения широкое применение находят лазерные гвх-ологиа, термичеокая (ЛТО) и глмико-гермическая обработка -поги-ование (ЛХТО), позволяющие получать на поверхности ыодийициро-анные олои о заданными свойствами. Однако во многих случаях вы-окая твердость, износо-,гемперагуро- и коррозионная стойкость аких покрытий сопровождается онижениам прочностных свойств в оловиях циклических нагрузок.

В этой связи актуальной является разработка комбинированной ехнологии упрочнения поверхности стали легированием при лазером нагреве о пооледуюиим азотированием. Получение при этом лрочненных слоев о.высоким комплексом свойотв, существенная кономия легирующего материала, возможность использования деше-ых малоуглеродистых сталей далаюг комбинированную технологии арспективным способом поверхностного упрочнения деталей, рабо-аювдх как в условиях изнашивания, так и при циклическом нагру-ении.. -.

Цель работы. Разработка комбинированной технологии поверх-оотного упрочнения стали легированием при лазерном нагреве о ооледугащим азотированием для получения слоев о высоким комппек-ои физгао-мехаяичеоких свойотв, которая позволит использовать ля поверхнпогного упрочнения малоуглеродистые стали вместо ла-'ированных азотируемых ниграллоев типа 38Х2МЩ.

Для доотижзния поставленной цели была определены направления исследований:

изучение влияния технологических параметров легирования при аззрнои нагреве на формирование упрочненного слоя;

георэгиэдоиоа и экспериментальное исследование влияния мхно логических параметров азогировааия и вводимых легирующих элементов ва структуру, фазовый ссагав а киле гику форщрова-ння упрочненного о пол;

исследование физико-механических овойсгв упрочненных олоев посла лазерного легирования и комбинированной обрабогки.

Научная новизна. Установлены аакономэрнооги влияния лвтару ицих элементов и реяимов лазерной обрабогки при импульсном к непрерывном излучениях на структуру и фазовый состав зон лазерного воздействия, а такке физико-механические и эксплуатационные свойства обработанных поверхностей. Па о трое ни диаграммы преимущественных гехнологичаоких режимов легирования для обоих сипов лагерного излучения.

Выявлены закономерноохи влияния процесса азотирования не структуру и (разовый состав зон, полученных предварительным ла-верным легированием.

Предложена расчетная шдель диффузионного наоыщения азотом гсгер&^азной матрицы, полученной предварительным лазерным легированием. Полученная модель позволяв! прогнозировать раопреде-лзние азота в легированной зоне и на ее границе о матрицей о точением Бремени.

Установлены закономерности влияния легирования лрк лазерном нагреве на воЯогва упрочненных олоев: микрогвердость, из-шсостойкооть, грещикосгойкосгь (при различных типах нагруксе-шк), остаточные напряжения, теплоотоЗкооть и коррозионную стой' кость до и посла азотирования.

Определена зависимость циклической трещиноотойкосги ог способа нанесения лагировандах зон перед азотированием. Усыновлен механизм разрушения в легированной зоне при распространении усталостной трещины в у о ловил х циклического нагру какия.

Практика окая цоняооеь. работы. Разработаны рекомендации по технологии комбинированного упрочнения, обеопечиващас наиболее высокий кошлеко эксплуатационных свойств.

Предлагаемая технология позволяет заменить традиционно азотируемые нитраллог типа 28ХЖЮА на Ее дефицитные .малоуглеродистые о тали а одноврешияым повышением износостойкости в 1,5-3 раза без онияэния харакгарисгия усталости.

Разработана модель диффузионного наошцения авогоы матрицы, предваритедьяо легированной о использованием лазерного нагрева, которая позволяет прогнозировать распределение концентрации азота в упрочненной гоне и можаг быть иопользована при ьыборе технологических режимов азотирования любых о га лей о гетерофазной структурой.

На споообы лазерного легирования и низкотемпературного азотирования полечены 3 положительных решения по заявкам на изобретение. .

Реализация результатов работа в промышленности. Разработанная технология поверхностного упрочнения легированием при лазер-лом нагреве о последующим азотированием опробована в НШ "ЭНИМС" для де галей о танков суппортной группы а на заводе "Ритм" (г.Бея-город) для упрочнения технологической оснастки. Использование комбинированной технологии позволяет повысить реоуро работы деталей в 1,5-2 раза. Овдаемый экономический эффект ог внедрения технологии пересчете на один комплект деталей- 30,0 тыо.рублей в год ал очет повышения ресуроа работ деталей и замены легированных отелей на малоуглеродистые.

Апробация работы. Основные положения работы долезвны и об-оуждоны:

на научно-гехничеокоа конференции "Прогрессивные процеооы термичеокой и химико-термической обработки деталей машин и инструмента", г.Июевок, 1987 г. s

на республиканском научном семинаре "Лазерная технология*, г.Вильнюо, I9EP7 г.;

на 46-й 1988 г. и 47-й 1989 г. научно-методических и дауч-яо-иооледовательских конференциях МАЛИ;

на всесоюзном научно-техническом семинаре "Технология и оборудование для новых прогрессивных методов химико-термической обработки деталей тракторов и сельскохозяйственных машин", г.Волгоград, 1988 г.}

на научно-техническш семинаре "Методы повышения конструктивной прочносии мегалличеоких материалов", г.Мооква, 1988 г.;

на воесоизной научно-технической конференции "Повышение надежности и долговечности материалов и да талей машн на основэ новых методов термической и химико-термической обработки", г.Хмельницкий, 1983 г.;

на научно-техническом семинара "Современное оборудование и техно лотя термической и хишко-термической обработки t.e га л диче оких материалов", г.(Лосева. 19 39 г.

Публикации. Но гемо диссертации опубликовано 7 печатных ра бог, лолучено 3 положительных решения по заявкам на изобретение

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит и введения, шеи г и глав, выводов, сшска литературы из 140 наимено ваний. Работа изложена на 130 страницах машинописного текста, оодарзшг 120 рисунков и 13 таблиц. В качестве приложения представлены акты об опробовании разработанной технологии и pao чет окидаемого экономического эффекта от внедрения разработанно технологии.

П. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Для исследования возможности поверхностного упрочнения era дей легированием при лазерном нагреве о последующим азогировани ем обработке подеергали конструкционные мало- и среднеуглеродис тыо стали: 20,40,45,20Х,40Х. В качества модельного материала ио пользовали армко-келезо. При легировании вводили порошки Cr, V , Но , W, Aß , Е> , N¡, Со .

Обработку образцов и опытной партии деталей проводили на газоразрядном С02-лазере непрерывного действия типа Л0К-2М мовь ноотью до I кВт при скорости перемещения лазерного луча от 2 до 30 мл/с и на технологическом лазере импульсного действия "Кванг-16" при мощности излучения до 24 Дк. Легирование осущест вляли из обмазки на основе 10-процентного раствора клея Б5-2 в ацетоне, количество которой контролировалось весовым методом.

Азотирование проводили при температуре 5Ю-570°С в атмоо-фере частично диссоциированного аммиака или в смеси аммиака и пропана при пониженном давлении. Продолжителъноегь насыщения варьировали г- 3 до 30 часов. Азотирование по промышленным технологическим реаимам проводили в печи США - 5,75/6, насыщение при пониженном давлении осуществляли на установке конструкции НАДИ.

[.¡икроструктуры упрочненных зон изучали на микрошлифах о использование» металлографического микроскопа " t/eophot -21" при увеличении до xIOOQ. Концентрацию легирующих элементов в гоне лагерного воздействия определяли о поверхности поперечных шлифов на микрорен г гено от к гральн ом анализаторе " Sup'rprob^-204" ери непрерывной сканировании зонда, распределение

А

гируадих элементов и азота в упрочненной зона изучали на ока-[рувдем шкрорантгвноолектральном анализатора "Link -system", 130внй ooqгад легированных зон и гон, полученных комбинированна обработкой, определяли на уогановке ДРОН-3.

Микротвердрсть упрочненного олол измеряли на гвопдомаре IT-3. Изноооогойкоогь изучали на экспериментальной уогановке и наследования трибологических овойогв материала по охеые | о лик-ко лодка" в уоловиях оухого гранил. Механкчоокиа испытание [ раотяжение проводили на машине ШСТРОН ТТ-ДМ. Испытания на [кличэокую трещиноогоИкооть прозодили в уоловиях многоциклового грулюния на уогановке 9079 УРС-20/30000 и на уогановке конот-'кции Сибирского мегаллургичаокого института. Иошгания на цик-гческую треиданосгойкосгь в уоловиях малоциклового на груженая продали на уогановке ZД-Ю. Фрактографичеокие иооладрвания по-рхнооти у о га лоо гно го разрушения проводили на оканирующем элек-Iониом микроскопа -Jeo{-U J " при увеличении от х50 до :000. Для определения оогаточних напряжений в упрочненном олое ис-1ЛЬзоваяи рентгеновокий мэ юд многократных наклонных оммок. ли рения проводили з 4ильгровакном К^Со излучении на дифракго-irpe ДРОН-2. Теплоотойкоогь определяли по изменению твердооти жированных зон до и поолз азотирования при нагрева от 250°С | 800°С и выдержке в изотерлическом режима в точение I чаоа. эрозионную стойкость иооледова ли на погенциоотаге П-5627М в |ухэлекгродаой ячейке.

Ш. ИССЩОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ЛЕГИРОВАНИЯ СТАЛЕЙ С ИСПОДЬ ЗОВА НИШ ЛАЗЕРНОГО НАГРЕВА ДЛЯ ШХШЩЩЕГО АЗОТИРОВАНИЯ

Изучение возможнооти повархноотного упрочнения огали леги» >ванием при лазерном нагреве а поодедзюшиы азотированием ио-laдуемых материалов показало, что комбинированная обработка зволяас повысить микротвардоагь поверхности до 18000-20000 МПа.

С «очки зрения повшения твердооти наиболее предпочтите льны адн о содержа ни ем углерода 0,1-0,3£, а в качестве материала я легирования - нитридообразуодив элементы. В этой связи иаолэ-ваяия по разработке технологии лазерного легирования проводили именнтельао к i/ллоуглэродиогой охали, насыщая es поверхность ладяеы, зфомом, молибденом и алюминием в импульсном и непре-вном режимах излучения.

Установлено, что структура я овойотва упрочненного олоя завод» ог типа вводимого легаруыцего элемента, поэтому вое иооле-дования были реализованы дал каждого легирующего элемента в от» дельности.

Технологическими парадеграми легарования являются плотное» мощности лазерного излучения а количество ианооииой на обрабатываемую поверхность обмазки. С увеличением мощности излучения го* щина лэгировашюй зоны растет для всех исследуемых легирующих элементов, причем зонн, лешрованине алюминием,всегда имеит наибольшие размеры, а молибденом - наименьшие. Это шкет быть объяснено различными теплоуизичеокими свойствами порошков А1 и Ыо. Существенное влияние.на толщину легированной зоны оказывает изменение количества нанесенной на обрабатываемую поверхность не сыщающей обмазки. При нанесении обмазки' в количестве более 16 мг/см2 наблвдаетоя уменьшение размеров зон плавления, что овязано о поглощением значительной части энергии обмазкой. Однако увеличение количества обмазки способствует повышению содержания легирующих элементов в ванне раоплава. Походя из требований рационального использования легирующего материала и достижения компромиссных значений толщины зоны ЛХТО и концентрации легирующих элементов в ней было уоганозлено, что оптимальное количество обмазки, наносимой на обрабатываемую поверхность, составляет 22-30 мг/ом2.

При легировании поверхности металла в непрерывном режиме о мощностью лазерного излучения до I кВт наиболее простим технологическим приемом доя изменения плотно о ги мощности являетоя изменение скорости перемещения лазерного излучения. Увеличение скорости перемещения лагерного луча от 2 до 30 мм/о приводит к уменьшению размеров легированных вон ог 800-900 мкм до 200300 мкм. Шшрорентгеноодекхральным анализом серии образцов из стали 20 установлены зависимости концентраций легирующих элементов от скороотя перемещения лазерного излучения. В интервала око росгей 10-20 мм/с наблюдается макоимум концентраций в зоне Ш для вьйх легирующих элементов. При скоростях менее Ю т/о умень шениа концентрации овязано о большими размерами оплавленных зон, а при скоростях более 20 мм/о снижение концентрации обусловлено выгоранием значительной части легирующей обмазки,правде чем начинает плавиться обрабатываемый материал.

б

На основании анализа влияния технологических параметров легирования на формирование упрочненных зон получены диаграммы феимущественных режимов, связывающие технологические параметры югирования при импульоном и непрерывном излучениях л толщиной /прочиеиной зоны и оодерхашем легирующих элементов в ней (рао.1 а,б).

Металлографическим анализом при больших увеличениях уога-юзлояо.чго в результате лазерного легировдния в импульоном рв-симе формируется олайотравящаяоя структура мартонсита, а при легировании в непрерывном резшме - чрезвычайно мелкозернистая лруктура, причем большую чаагь объема занимают ячеиотые равно-зояые зерна. При приближении к границе о ыатрицёй зерна огано-штоя отолбчатыми, ориентированными в сторону максимального от-зода тепла.

Локальным микрорентгеноопектральным анализом и съемкой а сарактериотических излучениях соответствующих элементов установлено, что легирующие элементы в зонах йПО распраделеяы равло-иерно как пооле импульсной, так и посла непрерывной обработай. 1рй этом содержание легирующих влементов в первом олучае со-зтапляет 2-5%, а во втором - '5-Г7# в зависимости от типа вводи-дого легирующего элемента. Обнаруяено некоторое обеднение лвги-зувдим элементом облаоти непосредственно у границы о матрицей. 3 зоне тершческого влияния легирующие элементы не зафиксированы.

Микротвердооть в зонах ЛХГО распределена равномерно и со-, зтавляет при импульсном режиме легирования от 5000 до 8000 МПа, i при непрерывном - от ЗООО до 12000 МПа. В процеоое легарова-1ия на непрерывном лазере возможно окачкообразное падение твер-юоти внутри легированной зоны вблизи границы о матрицей, а вдлее, в зоне термичеокого влияния, значительное ее повышение, Зто объясняется сложным отроением зоны термического влкчния. 1адение твердости непосредственно у границы зоны легирования о патрицей обусловлено обезуглероживанием, о одной стороны, и знижением оодаржакия легирующих элементов, о другой. На некотором расстоянии от ванны раоплава, ниже обезуглероженного слоя &ормирувгоя зона полной закалки оо структурой мартеноита. Именно на этом учаотке наблюдаетоя значительное повышение твердости, Далее следует зона неполной закалки, когда наряду о мартенситом сохраняются ферриише зерна, а затем - основа.

га го гч го зг зч

____Ш 15 .... 20 25 . 30

Старость .перемещения, лазерного луча,

5)

Рио.Г. Диаграммы преимущественных режимов легирования при лазерном нагреве: а - импульоное излучение, . й - непрерывное излучение Р =1 кВг, £ =22-28 мг,

Методом рентгеноотруктуряого анализа определен фазовый ооо-ав стали 20 пооле легирования исследуемыми нигридообразувдими лемантами. В гонах ДХТО Армируется твердей раствор замещения легирующих элементов в оС -желазе. Изменение параметра решетки вердого раствора при легировании Сг и V , рассчитанное лосмвщв-1ию матричных пиков, невелико, гак как атомные размеры Сг и V «значительно отличаются от атомных размеров /"е . При легкрова-иш в непрерывном режиме содержание С г и Ив зоне )ШО оо-навляет 15-1752 (по массе). Тем не менее, присутствие б -фаз штгеновским методом на обнаружено, что свидетельствует о рав-юмеряом распределении легирующих элементов в ванне расплава. 1ри легировании молибденом наблвдаетоя значитэльное увеличзнив мраметра решетки, поскольку отличие в атомных радиусах железа 1 молибдена велико. Концентрация молибдена в зоне ЛХТО составляет 8% (по маоое). На дифрактогралыах, снятых с поверхности легированной зоны, обнаружено выделение ин гермегаллидоп ГеМо и Ге^Мод. Видела ни ем иа герме га ллидных фаз может быть объяснено наиболее значительное из всех легирующих элементов увеличение твердости при легировании молибденом. Концентрация А1 в зоне ЛХТО не превышает 5%Ыо маоое). При растворении А1 в зоне легирования образуется твердей раотвор зане.щения, причем из-за боль-иого различия атомных размеров АГ и Го параштр решетки твердого раотвора существенно увеличивается, о чем овидегельотвуег омещенив дифракционных максимумов Те .

П. АЗОТИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ СТАЛИ ШСЛЕ ЛХТО

Так как азотирование широко используется для повышения выносливости и контакгяо-уоталостной прочности деталей из легаро-ванных сталей, исоледовали формирование азотированного слоя на малоуглеродистых оталях после поверхностного легирования нитря-дообразувдями элементами при лазерном нагреве.

На рис.2 показано влияние легирующих элементов на распределение микрогвердооги в зоне ЛХТО после кратковременного азотирования (Т«570°С, 4,5 часа).

Максимальные значения микрогвердооти достигаются а аоках, легированных алшшшеы. Характерной особенностью таких зон является равномерное раопредолениа шкро твердое ги по во ей голиияа упрочненного слоя. Азотирование-поверхнооги огали, легированной Сг , V и Мо по аналогичным рвшмам, приводи к образовании

' 9

es

с:

ta

tí>

Í *

i

в

l!.

т. —.— ДД: WC'ti)

Х-

! ^ Ч ^juio Mtd ао(Сг) Ы.....

► 1

—А гm(tío) i \ i i

wq___гоо_____зоо___Фа soo .. nao

Талщина угрочленной. зоны, мкм

loo

Рио.2. Распределение микротвердооти в0зонах ЛХТО oraли 20 посла азотирования при Т = 570 С в течение 4,5 часа

упрочненных о доев с плавным изменением микрогвердооги по толщине. Азотирование при Т = 540°С в сечение 29 часов позволяет получать улрочнешче зоны'с равномерным распределением микрогвердооги на глубину до 500 мкм. При этом значения микрогвердооги ониасаютоя незначительно.

Металлографическим анализом установлено, что в отсутствие легированных зон азотированный слой имеет известное отроение: на поверхности формируеюя яигридаая зона в виде белой полосы толщиной 15-20 мкм, диффузионный подслой (зона внутреннего азотирования) ооотоиг из азотистого феррита, отличающегося повыше» нрй травимое >ю за счет выделения избыточной jf -фазы. Формирование упрочненного слоя внутри зоны Ш0 определяется копире ным легирующим элементом, в частности, его влиянием на раотвори-моогь азота в железа. Так, яри азотировании зон, легированных ванадием или хромом,,на повэрхносхи образуется тонкая 2-5 мкм наградная пленка. Зона внутреннего азотирования вытравливается неравномерно: в цэнтре зоны гояэдна ее минимальна, а о прибли-кениам к границе о матрицай она постепенно.увеличивается. При увеличении продолжительности азотирования неравномерность

ta'

иеньаавтоя, и, в конечном итога, фонт зоны внутреннего азоти->вания выравнивав гол. При азотировании зон« легированных молиб-ihom и алюминием, нигридаая пленка на поверхности практически I огличается по толщине от ке легированной поверхности, а Фрон» шы внутреннего азотирования выравнивается при меньшей продол-гтельнооти азотирования.

При азотировании поверхности стали 20, легированной V и гу наблюдается ввделение дисперсных опецнитридов CfzM, V/V, N , VA/»,и • Отпуок при температуре 250°С приводит к дальней-iMy повышенно микротвердости, из чего можно заключить, что при сличении температуры и длительности температурного воздействия leer меото увеличение количества виделяюиихся опецнитридов в дио-|роной форме. При температуре более 600°С начинают преобладать »агуляцнонные процессы,, приводящие к разупрочнению.

Азотирование стапи,поверхностно легированной алюминием, )иводиг к формированию структуры, состоя ней из легированных /

у -фаз. Шсокая твердооть такой структуры объясняется оущеот-!ншш различием удельных объемов этих фаз и развитием больших 1утренних напряжений.

При азотировании поверхности, предварительно легированной ^бденом,образуются легированные молибденом нитридаые фазы I основе железа, причем Мо входит в оосшв нитридов в небольших •личеатвах, оставаясь в-гвердоы раотворе и в виде выделившихся Iгерма галлидных фаз. Этим объясняется иовыоокая твердооть [рочненлого слоя, легированного молибденом.

С целью поогроения расчетной модели и получения зевисимоз-1Й, позволяющих прогнозировать распределение азота в зоне лагашения , на границе о матрицай и в непосредственной близости от мы ЛХТО в материале щгрицы о течением времени решалась вада-i диффузионного яаоыщеаия азотом неоднородной матрицы, получений предварительным лазерным легированием. Для этого составляли сатему уравнений диффузии, описывающих изменение концентрации юта со временем в кавдой^точке зовы легирования и матрицы:

= Ь<аС< } (i)

AÄ ' . i*

t9. Cf - концентрация азота в матрице в моыенг времени t % вес.;

i'i - концентрация азота в легированной зоне в момент вре-мели ~t , $ вес.; - коэффициент диффузии азота в матрице, ом2/о; £>з - коэффициент дирфузии азота в легированной зоне,ом2/а.

.Граничные условия: яри C(*,Í¿*0,i)=Cof; (з)

при C(X,Í¿-0,i)ECei. С4)

Условие раввногва потоков азота на границе раздела зоны легирования и матрицы шее т вид:

__ -A (stáCi) 1£л = -Х>Л(угадС,)%п, (б)

где П - нормаль к поверхности раздела.

Кроме того, <6>

<7>

Уравнения I и 2 в учетом граничных условий (¡3+7) решалиоь о помощью ЭШ методом граничных элементов. Результаты счета приведены для частного случая, когда азотированию подвергают армко-железо, предварительно легированное ванадием до концентра' ции 15% с помощью луча лазера о радиусом ta =0,75 мм. При рао-чегэ использовали следующие данные: значение поверхностной концентрации азота в железе Си = 0,11$, в легированной' ванадием зоне - Сва. я ^.,4$, коэффициент диффузии азота при Т=570°С в железе Di ¿ I,IxIO~7 ом2/о, а в легированной зоне ' jDa = 0,26xI0~7 ом2/о.

Анализ расчетных данных показал, что концентрация азота на заданной глубине в центре легированной зоны ниже значений в точках, близких к боковой границе.

На основании результатов машинного счеса установлено распределение азота в матрице, в легированной зоне и на границе между ними с течением времени. На рио.З показана охема движения азота в матрице, легированной нитридообразущиы элементом о оо-> мощью лазерного нагрева. Поскольку предельнйя растворимость азота в легированной зоне Ссз> больше, нем в матрице Coi , то в начальный момент времени в приповерхностном олое легированной зоны азота растворено больше, чем в матрице, и он распространяется из области (2) в облаоть (I).'Через некоторое время в области (I) азот оказывается на большей глубине, чем в

Сог Си

Тко.ь. Схема дгаганля азота через границу 5 о течением времени, ,

облаоги (21, гак как коэффициент диффузии матрицы 2>1 больше коэффициента диффузии легированной золы Л)^ . Теперь азот диффундирует из облаоги о малой предельной раотворимоатью (I) в облаоть (2) в большей предельной раотворимоотью. Пооле достижения овоего предельного наоыщения в облаоги (2) азот вновь диффундирует в облаоть (I).

Металлографический анализ подтвердил существование характерных оообенноогей при заполнении азотом зон, легированных нигри- ■ дообразуюцими элементами.

На рио.4 представлены расчетные кривые изменения азотированного фронта по толщина упрочненной зоны о сечением времени.Увеличение продолжительности азотирования приводит к постепенному выравниванию фронта диффузионного ояоя.

Изменяя входные параметры в уравнении (2) получили номограммы режимов азотирования для полного упрочнения зон ШО Г» «0,75 мм о различным содержанием ванадия (рио.5).

Рио.4.

Изменение азогиоовашого фрояга о концентрацией Си = О,Ода по гомика упрочненной гони о течением времени

Рио.5.

Номограммы режимов азогирования для полного упрочнения зон ЛШ о различным содержанием ванадия

Под полным упрочнением понимав гоя оквоэнов наоыщенив зоны ДХТО азотом до значения равного предельной раотворимооти азога в (А -железе о заданным содержанием легирующего элеменга.

У. ВЛИЯНИЕ ЛХТО И КШЕШРОВАННОЙ ОБРАБОТКИ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА УПРОЧНЕННОЙ ПОВЕРХНОСШ

Сравнение овойотв поверхностей, легированных различяг I нитридообразующими элементами и полученных комбинированной Обработкой, позволило установить технологачеокие ракимы упрочнения деталей, работающих в различных уоловиях эксплуатации.

В результате длительных испытаний на износоатойкооть выявлено оущеогвенное различие в трибогахнических характеристиках поверхноотей, легированных различными нигридообразущими элементами о использованием лазерного нацзева, и поверхноотей, полученных комбинированной обработкой. Установлено, что иэноооотой-кооть малоуглеродистой отали, обработанной по комбинированной технологии, в 15 раз выше износостойкой ги азотированной отали 20 и в 1,5-3 раза выше износостойкости отали 38Х2МЮА, азотированной по аналогичным режимам. В уоловиях сухого трения повышение изнооостойкооти обусловлено выоокой микротвердоотью упрочненных зон и формированием рельефа г.эверхноога по типу Шарпи. Наибольшая изнооостойкооть доотигаетоя лагарованиам поверхности стали алюминием а последующим азотированием.

Наследования механических свойств при раотяжении показали,' что упрочнение поверхности образцов как иегировализм, так и комбинированной обработкой приводит к повдиенда пределов прочности и текучеоси для воех легирующих элементов, кроме /II> при одновременном снижении плаотичноогя. Прочноеть образца о покрытием определяется прочностшши и плаотичвокими овойотвша самих упрочняющих о доев. Доминирующим фактором, влияющим па уровень упрочнения, является твердоось поверхностного слоя. За-виоимооть прочноотяых овойогв ог твардооги нооит явно выраженный экстремальный характер, максимум которой соответствует твердости 15-17 ГПа, полученной при легировании хромом и ванадием о последующим азотированием, а минимум - при легировании алюминием, как до азотирования, гак и после. Это объясняетоя кшкроотруктурннш изменениями, происходящими при ШО и в процессе азотирования. Легирование малоуглеродистой отали адюми-

наем привода* к полигошзации феррита, при после дующей азотировании интенсивная дис^узия азота идет по границам блоков, нитрида, эффективно упрочняющие материалы, при этом не образуются. И напросив, ори комбинированной обработке образцов, предварительно легированных хромом и ванадием,в поверхностном слое фор? мируююя даопврсныв яигрида VA/, \JsN, VM^jj , CrN , ОггН , приводящие к упрочнению матрицы, снижению степени локализации . плаогичаокой деформации и ограничению процеооов околькания в материале , что в целой тормозит развитие трещины.

. В условиях шогоциклового нагружения после ЛХТО малоуглеродно той о тали наблцдаагоя снижение окорооти роота уоталоотноВ трещины и увеличение порогового значения коэффициента инт^.г ив-нооги напряжений, нихв которого трещина не развивается. Последующее азотирование еще'больше одвигааг кинегичеокие диаграммы усталостного разрушения вправо.

При переходе or уоловий юогоциклового нагружения к условиям маловдклового нагружения скорость роста уогалоотной трещины увеличивается, последующее азотирование улучшает эту'характерно тику до уровня исходного образца. При нанеоении дорожек ЛХТО без перекрытия и последующем азотировании трещинсстойкооть малоуглеродистой о там увеличивается в 1,5 раза. Кинетические диаграммы в егом случае тают непривычный вид, который, однако, полностью отвечает внутренним механизмам уоталоотного разрушения таких гегерофазных образцов. Наблюдается нестабильный poor уотапоссной трещины, ускорения которой чередуются о периодическими торможениями. Фрактографичеокне иоследования позволила установить механизм разрушения в зоне ЛХТО: при достижении вершиной магиотральной трещины зоны термического влияния скороогь ее заметно падает, в то же время по оердцавине образца усталостная трещина продолжает развиваться практически о прежней окороотыо, вследствие чего происходит деформация фронта трещин ы. При прорастании ее примерно до оереданы дорожки происходи! хрупкое разрушение зоны плавления, а ори дальнейшем росте трещины - разрыв перемычки по омешанноыу механизму. Характерно! особенностью разрушения образцов о перекрывающимися дорожками ЛХТО является образование сильно развитых вторичных трещин и пороподобных дефектов значительных размеров, раа-полдгаощшш параллельно ловврхнооги образца на глубине,

равной глубине зоны легирования. Азотирование такой поверхнооги прчводаг к подавлению порообразования, локализации процеооа разрушения, особенно в зоне плавления, гда ухе ае наблюдаются протяженные области хрупкого разрушения, что овлэано, в первую очередь, о наличием диспэроных нитридов.

В процеоое лазерного легирования в комбинированной обработки формируется неоднородное распределение оотаточных напряжений. Установлено, что на поверхнооги дорожки ЛХГО формируютоя напряжения ажагия, достигающие 380£80 * 450± 80 МПа. По мере удаления от центра дорожки эти напряжения сначала снижают ол практически до нуля, а затем вновь незначительно увеличиваются. В соответствующих азотированных образцах вти напряжения у меныиаюгоя в центре дорожки до Ю ± 60 МПа - 120+80 МПа, а за ее пределами до нуля. Это объяаняетоя сем, что в процеоое азотирования, когда упрочняемая поверхность подвергается наонщению азотом и температурному воздействию, больший вклад в изменение оогаточных напряжений вносит нагрев до температуры ниже Aj, приводящий к их онижегаш. 1

Комбинированная.'.обработка повывает тешюотойкооть упрочненных слоев до 600°С при введении в качэотвэ легирующих элементов ванадия, хрома и молибдена и ко га г эффективно применяться для увеличения изноооотойкооу:! деталей, работающих в уоловиях трения скольжения при повышенных температурах. Причем при нагреве до 500°С микротвердоо ть упрочненных ало ев несколько повышаемая, что, по-видимому, связано с увеличением количества выделяющихся опецнитридов в дисперсной форме. Нагрев азотированной поверхности, предварительно легированной алюминием, приводит к ео разупрочнению.

Исследования изменения электрохимического потенциала о течением времени показали, что комбинированные покрытия оувдот-венно более уотойчивн к коррозии, чем оталь 20 в исходном ооотоя-кш и после лазерного легирования, эта может быть объяанено образованием на поверхнооги выоокоазотиотых фаз. Исключение составляет хром, при легировании •которым величина потенциала пит-тингообразования вше у неазогированных образцов.

У1. РЕКОМЕНДШШ РЕЖИМЫ КОМБИНИРСШАННОГО ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ МАЛОУГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Анашэ о [ровняя к свойств упрочненных комбинированной обработкой слоев. показал, что выоокий компдеко свойств обеспечивается лазерным легированием поверхности нитредообразующимн легирующими элементами в импульсном и непрерывном режимах излучения и последующим азотированием. Толщина упрочненного олоя определяется толщиной легирования, а свойства - структурой и концентрацией легирующих элементов в алое. В табл.1 приведены технологические ре шли легирования при импульсном и непрерывном излучениях, обеолечивающие выоокие значения микротвердосхи при последующем азотировании.

Таблица I

Технологические режимы упрочнения малоуглеродистой огали*

Вид ¡я й илучения |д'8' I МбщИйШ-' |Скй- К<Ыче- свойома излучения 1 оость !отво сб+ «всиотва

р тт. 1р ип«>лазерн] мазки Iтолщина, 1н ш,0 1 1У.мм/о!Р'мг/0Й1 I

¿АХ Импульсное }Мо излучение }сг | V 12-16} - { - | 28-30 24 1 - - 1 22 20-22| ~ } - { 24-26 20-22! -1-1 24-26 1 1 1 Г70 } 20000 120 1 11000 170 | 16000 150 | 18000

Непрерывное) излучение 1Мо Юг ¡V - { I | 20 1 28-30 - ) I 10 | 22 .-II 110-20 1 24-26 - | I ¡10-20 | 24-26 500-600 1 18000 500 { 9000 500-600 1 15000 500-600 \ 17000

к Азотирование после легирования в импульоном режиме при Т=570°С в течение Э-5 часов, после легирования в непрерывной режиме при Т=5Ю-540°С в течение 25-30 чаоов.

Использование импульсного легирования при комбинированной обработке целесообразно для мелких деталей, работают: на шаноо при ьысоких температурах и в условиях агрессивных сред, причем если деталь рабохает в нейтральной среде, то гоны ДГГО оде дует наносить без перекрытия, чю яви г ал дополнительным резервом для повышения износооюйкооги.

1В

Для упрочнения крупногабаритных деталей, таких как направляющие окольжания и другие детали оулпоргной группы отанков, рекомендуется попользовать лазерные установки непрерывного дейот-вия. Значительные толщины легированных олоев в этом олучае требуют более продолжительного азотирования. Детали из малоуглеродистой качественной стали, обработанной по комбинированной технологии.могут выдерживать высокие контактные нагрузки, работать в условиях изнашивания и уоталооти при высоких температурах и в агреооивных орвдах. Наилучшие характеристики циклической греииноогойкооти достигаются комбинированной обработкой при легировании хромом и ванадием неперекрывающимися дорожками 2DCT0.

Разработанная технология комбинированного упрочнения позволяет повысить износостойкость малоуглеродистой стали в 1,5-3 раза по сравнению о азотированной ora лью 38Х2МЮА, при этом трещиноогойкооть увеличивается в 1,5 раза.

Разработанная технология поверхноогяого упрочнения легированием при лазерном нагреве о последующим азотированием опробована в НГО "ЭНШС'для деталей оганков оуппортной 'группы и на заводе "Ритм" (г.Белгород) для упрочнения технологической оо-настки. Использование комбинированной технологии дозволяет повысить реоуро работы деталей в 1,5 - 2 £аэа. Ожидаемый экономический эффект от внедрения технологии в раочесе на один комплект деталей - 30,0 гыо.рублей в год еа счег повышения ресурса работы деталей и замены легированных отелей на малоуглеродистые.

ВЫВОДЫ,

1. Разработана технология поверхностного упрочнения отали легированием при лазерном нагреве о последующим азотированием, позволяющая получать на малоуглеродистых огалях изноооогой-кооть в 1,5- 3 pasa выше, чем аа легированных ниграллоях типа 38X2MüA.

2. Комбинированная технология упрочнения заключается в поверхностном легировании отали ниградообравуадими элементами V, Сг ,Мо , AZ при лазерном нагреве о пооледуицим азотированием по режимам, обаопачиваювдм оквоаное насыщение Азотом лэга-рованных вон.

3. Для выбора техаологачвокжх реяимов лазерного легирования получены диаграммы преимущественных режимов, связывающие технологические параметры легирования о голщиной упрочненной зоны н содержанием легарущих элементов.

3.1. Показано, что при легировании в импульоном режиме возможно получение упррчненной зоны голадной 120-170 мкм о концент-рациай легирующих элементов 2*5%. При легировании в непрерывном режиме излучения толщина легированной зоны БОО-бООмкм, концентрация легирующих элементов - 5*17/5.

4. Изучено отроение и фазовый ооотав легированных зон и зоны терминеокого влияния.

4.1. Показано, что при лагерном легировании по реко...ендуе-мым режимам формируется мелкозернистая структура, представлявшая aoóoñ твердый раогвор лагируюсдех элементов в Л -железа,яри легировании молибденом возможно выделение инсерметаллидных фаз.

4.2. Установлено, что распределение легирующих элементов в зонах ДХТО равномерно; вблизи границы зоны плавления о зоной . термического влияния концентрация легирующих эпемэнтов о ни жав тая.

4.3. Выявлено, что гона термического влияния, образующаяся при обработке в рекомендуемых технологических режимах,оосгоиг из тонкого обезуглерокенного слоя, зоны полной закалки и гоны неполной закалки.

5. Изучено формирование диффузионного олоя при азотировании мало- и среднеуглеродиотых ora лей, предварительно легированных нитрвдообра эувдимн элементами.

5.1. Показано, что максимальные аначэния микротвердссси (до 20000 ШЛа) доотигаются азотированием поверхности, легированной алюминием, минимальные (да 11000 Ша) - молибденом.

5.2. Кратковременное азотирование (570°С, 3-5 чаоов) позволяет получить полное упрочнение олоя толщиной 120-Г70 мкм, который формируется при легировании в импульоном режиме.

Зоны ЛХТО, полученные при легировании в непрерывном режиме (толщиной 500-600 мкм), равномерно упрочняютоя в течение 25-Зь чаоов при Т=5Г0-540°С.

6. Изучено строение азотированной о тали,предварительно легированной нигридообразующими элементами при лазерном нагреве и выявлена связь мевду фазовым ооотавем поверхности и шк-ротвэрдоагь»..

' 20 1

6.1. Выоокиэ значения микрогвердооги доогигаюгая азотированием поверхности ora ли 20, легированной V и Cr, за очв1 выделения диоперсных опецяигридов CrtN, V//, Vi/V, VAU.

6.2.' При легировании алюминием формируется отруктура, оо-огоящая из легированных <Х - и )Г-фаз. Вноокая гвердооть объяо-няетоя общественным различием удельных объемов в г их фаз и развитием больших внутренних напряжений.

6.3. Азотирование поверхности, предварительно легированной молибденом, приводит к образованию легированных молибденом ни-тридных фаз на железной основе, причем Мо входит в ооотав нитридов в набольших количествах, твердость такого опоя невыоока.

7. Получена расчетная модель да^узионного насыщения азотом матрица, предварительно легированной нитрвдообразующими. элементами с использованием лазерного нагрева.

7.1. Построены кривые изменения концентрации азота по толщине упрочненного слоя о течением времени, позволяющие прогнозировать форшрование диффузионных слоев о заданной концентрацией азота, а следовательно, и микротвердостью. 1

7.2. Установлены режиш азотирования, обеспечивающие оквоэ-ное наоыщение азотом зон ЛХТО о различным содержанием легирующего элемента.

8. Иооледовано влит-¡ис ЛХТО и комбинированной обработки на комплекс физико-механичеоких свойств, установлена их связь со структурой и фазовым составом упрочненных зон.

Q.I. Установлено, что комбинированная технология позволяв! повысить изноооотойкооть малоуглеродистой о тали в 15 раз по сравнении о азотированной и в 1,5-3 pasa по сравнению о азотированной Q га лью 38Х2МЮА.

8.2. Показано, что в условиях сухого трения повышение иэ-ноооотойкооги обусловлено выоокой микротвердостью упрочненных зон и формированием рельефа поверхности по типу Шарпи.

8.3. Установлена зависимость механических овойотв стали 20 после ШО и комбинированной обработки от структуры и твердооти упрочненных олоев. Показано, что эта зависимость носит экстремальный характер, максимум которой соответствует твердооти 15000-17ООО МПа, полученной при легировании хромом и ванадием

о последующим азотированием, а минимум - при легировании алюминием, как до азотирования, гаи и пооде.

8.4« Изучен механизм разрушения в зоне ЛХГО при раопроа гранении уотадостной трещины.

6.5. Снижение окорооги роота усталостной грещины наблвдает-оя поояе ЛХГО и комбинированной обработки малоуглеродно гой огали в условиях многоциклового Нагружания. При эгом увеличивается пороговое значение коэффициента интенсивности напряжений,ниже кою poro трещина не развиваетоя. В условиях мало циклового нагружения повышение грещиносюйкооти малоуглеродистой стали в 1,5 раза обеопечиваагся комбинированной обработкой при нанеоении дороквк ДХТО без перекрытия.

8.6. Изучено раопределание остаточных напряжений после ЛГГ0 и комбинированной обработки малоуглеродиотой огали. Показано,что значительные по величине онимаичие напряжения .возникающие на поверхности легированной зоны при ЛХГО, пооле азотирования уменьшаются.

8.7. Установлено, что сешюотойкооть малоуглеродиотой огали обработанной по комбинированной технологии,повышается до 600°С при легировании ванадием, хромом и молибденом. Нагрев поверхности,предварительно легированной алюминием,приводит к ее разупрочнению.

8.8. Комбинированная обработка повышает коррозионную отой-кооть малоуглеродиотой огали. При легировании хромом величина потенциала питгингообразования выш у неавотированных образцов.

9. Приведены рекомендуемые гехнолошчеокиз ранимы комбинированного упрочнения малоуглародаотых сталей.

ГО. Разработанная технология ааверного легирования малоуглеродистых с талей о последующим азотированием была опробована применительно к деталям станков (детали оуппоргной группы и направляющие скольжения) и технологической оонаогке. Ожидаемый зкономичеокий эффект от внедрения технологии - 30,0 тыо.рублей в год.

Основное содержание диаоергдции опубликовано в следующих работах:

I. Комплексная хишко-термичеокая обработка мало- и оредае-углеродиогых oraлей / Коган Я.Д., Чудана О.В.// Прогреооивные технологические яроцёооы термической и химико-термичеокой обработки деталей машн и идагрумеяга: Твэ.докл.научно-гехничеокой конференции.-- Ижевок, 1987. - С.23.

2. Комбинированное упрочнение мало- и среднеуглеродиотых )галей / Коган Я.Д., Чудана О.В.// Лазерная технология: Сб.тр,-Зильнюо, 1987 .-С. 49-51.

3. Поверхноогное легирование мало- и среднеуглеродиотых ота-ней о помощью луча лазера о последующим азотированием /Чудияа О.В.» Трооолов B.C.// Технология и оборудование для новых прогреооивных но годов химлко-гермичеокой обработки деталей тракторов и оельоко-козяйсгвешшх машин: Тезисы докладов всесоюзного научно-те: яичес-ftoro оеминара, Волгоград, 1988. - С. 142-143.

4. Чудана О.В. Комбинированное упрочнение мало- и ореднеуг-иеродиотой огали // Ресуроооберегающая технология поверхноотного упрочнения деталей машин: Сборник научных трудов МАДИ. M., 1988.-3.I2I-I24.

5. Комплексная лазерная стмико-термичеокая обработка малоуглеродистых сталей /Лахтия D.M., Чудияа О.В., Крапошин B.C.// Яетоддо повышения конструктивной прочности металличеоких материалов: Кагериалы'семинара / Московский дом научно-гохшгчеокой пропаганда им.Ф.Э.Дзержинского. -М.,1988, - C.II6-II7.

6. Особенности формирования упрочненного олоя при лазерном легировании о тали о последующим азотированием Аз дина О.В.// Повышение надежности и долговечности материалов и деталей машпл на основе новых методов( г рк leoiofl и химико-термичеокой обработки: Теэиоы докладов Всесоюзной научно-гахничеокой конференции, г. Хкелышцкий, Г988. - С. 132-133.

7. Магемагичеокая модель диффузионного наоыщения азотом гетерофазной магривд, полученной предварительным лазерным легированном /Лахтия D.H., Коган Я.Д..Чудина О.В., Зеленов А.Е.// Современноо оборудование и технология гермичеокой обработки металличеоких материалов; Материалы оемияара /Мооковокий дом научно-технической пропаганда им.Ф.Э.Дзержинского. - М. ,1989.-С.146-150.

8. Заявка 4305457/31-02 СССР, МКИ С23С 6/00. Споооб низко-томпературного азотирования /Ю.Ы.Яахгия, Я.Д.Коган, О.В.Чудина/ Положительное решение ог 18.04'.88г.

9. Заявка 4460435/31-02 СССР, МКИ С23С 8/00. Споооб лазерного легирования поверхности металла /D.M.Дахтин.Я.Д.Коган, A.B.Зеленов, О.В.Чудина/ Положительное решение от 10.01.89 г*

10. Заявка 4620997/31-02 СССР,МКИ С23С 8/25. Способ низкотемпературного азотирования /Ю.Ы.Дахгин,Я'.Д.Коган.О.В.Чудина

и др./ Положите льнов решение от 21.06.89 г. _