автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Повышение эксплуатационных характеристик поверхности стали методом лазерного карбоборохромирования

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Аналитический обзор

1.1. Лазерная обработка материалов

1.1.1. Особенности лазерного нагрева

1.1.2. Особенности скоростного нагрева при лазерной обработке материалов

1.1.3. Взаимодействие лазерного излучения с веществом

1.1.4. Классификация методов поверхностной лазерной обработки

1.1.5. Рекомендации по выбору сталей для лазерного упрочнения

1.1.6. Выбор легирующих элементов для лазерного легирования

1.2. Структурообразование при лазерной обработке поверхности металлических материалов *»•-•■• *

1.2.1. Формирование структуры при лазерной закалке сталей

1.2.2. Формирование структуры при лазерном оплавлении поверхности сталей

1.2.3. Формирование структуры при лазерном легировании

1.2.3.1. Лазерное азотирование

1.2.3.2. Лазерная цементация

1.2.3.3. Лазерное борирование

1.2.3.4. Лазерное легирование тугоплавкими и переходными элементами

1.2.4. Механизм формирования лазерно-легированного слоя

1.3. Свойства лазерно-легированных слоев

1.4. Постановка задачи исследования

ГЛАВА 2. Материалы и методики исследований

2.1. Материалы исследования

2.2. Методика лазерной обработки

2.3. Микроструктурные исследования

2.4. Рентгеноструктурный анализ

2.5. Дюрометрические исследования

2.6. Методика определения микрохрупкости структуры легированного слоя

ГЛАВА 3. Особенности формирования макроструктуры лазернолегированного слоя

3.1. Макроструктурное строение области лазерного воздействия

3.2. Моделирование ванны расплава

ГЛАВА 4. Закономерности образования микроструктурных составляющих лазерно-легированного слоя

4.1. Общая характеристика микроструктуры

4.1.1. Микроструктурное строение центральной части зоны легирования

4.1.2. Зеренное строение придонной части

4.2. Элементы микроструктуры

4.2.1. Дендриты

4.2.2. Эвтектическая составляющая

4.3. Средняя микротвердость структуры

4.4. Статистическое распределение микротвердости

4.4.1. Модальный характер распределения микротвердости

4.4.2. Микроструктурное соответствие модам распределения микротвердости

ГЛАВА 5. Особенности формирования структуры лазерно-легированных слоев на кристаллическом уровне

5.1. Фазовый состав слоев лазерного легирования

5.1.1. Термодинамическая оценка образования карбидов хрома в составе лазерно-легированных слоев

5.2. Напряженное состояние кристаллической решетки твердых растворов

5.2.1. Статические напряжения III рода

5.2.2. Напряжения II рода

5.2.3. Напряжения I рода и микрохрупкость

ГЛАВА 6. Исследование влияния температурно-временных факторов на устойчивость сформировавшегося структурного состояния

6.1. Влияние температуры нагрева на устойчивость структурного состояния лазерно-легированного слоя

6.2. Влияние температуры нагрева на состояние лазерно-легированных слоев на кристаллическом уровне

6.3. Влияние длительной выдержки на устойчивость структурного состояния лазерно-легированного слоя

ГЛАВА 7. Практическое использование результатов исследований

7.1. Исследование режущих свойств

7.2. Производственные испытания штампового инструмента, подвергнутого лазерному карбоборохромированию 152 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 155 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 159 ПРИЛОЖЕНИЯ

Практика показала, что широкое внедрение и эффективное использование передовых технологий, наиболее прогрессивных и универсальных методов обработки, интенсифицирующих производственный процесс, повышающих качество изделий, культуру и экономичность производства, возможно лишь на основе познания фундаментальных закономерностей, определяющих взаимосвязь структуры и свойств материалов. В этом отношении лазерные технологии являются одними из наиболее перспективных способов обработки, позволяющими добиться уникального комплекса физико-механических и эксплуатационных свойств, чего нельзя достичь при обычном способе выплавки стали или известных способах термообработки.

Особенности структурообразования при лазерной обработке сказываются на различных эксплуатационных свойствах сталей и сплавов. Материалы по лазерному легированию показывают огромные резервы в использовании лазерных технологий для повышения эксплуатационных свойств сталей и сплавов и в связи с этим актуальность дальнейших научных исследований в указанной области. Результаты, приведенные в научных публикациях, носят, как правило, частный (фрагментарный) характер. Отсутствие систематических исследований является причиной того, что в настоящее время еще не сформировано достаточно ясное представление об эффективности лазерного легирования, что в значительной мере затрудняет возможность реальной оценки перспективности, а, следовательно, и экономической целесообразности применения лазерного легирования для конкретных изделий.

Несмотря на бурное развитие научных исследований по лазерному воздействию на вещество и его последствиям, имеется целый ряд важных вопросов, не доведенных до окончательного выяснения. В особенной степени это относится к лазерному импульсному легированию как наименее изученному процессу. Отсутствие систематических исследований в области импульсного лазерного легирования тормозит создание и развитие технологических процессов с использованием мощного лазерного излучения.

Российские (Коваленко B.C., Лахтин Ю.М., Коган Д.Я.) и зарубежные ученые, работающие в области лазерного легирования, указывают на перспективность легирования композициями, обеспечивающими комплексное насыщение карбидообра-зующими элементами совместно с углеродом, а также бором в свободном или связанном состоянии. Это позволяет получить слои, обладающие высокой износо- и теплостойкостью. Поэтому целью данной работы является установление закономерностей повышения качества и эксплуатационных характеристик рабочих поверхностей изделий в процессе лазерного карбоборохромирования сталей при использовании комплексных исследований процессов структурообразования и свойств лазерно-легированных слоев на различных структурных уровнях.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи исследования:

1) анализ особенностей формирования макроструктуры лазерно-легированного слоя;

2) исследование морфологических особенностей и свойств микроструктурных составляющих лазерно-легированного слоя;

3) исследование напряженного состояния кристаллической решетки твердых растворов, входящих в состав лазерного слоя для прогнозирования формирования макро-и микроструктуры и возможного устранения дефектов в процессе лазерного карбоборохромирования;

4) изучение влияния температурно-временных факторов на устойчивость структурного состояния лазерно-легированного слоя.

Данная работа представляет собой изложение результатов комплекса теоретических и экспериментальных исследований процессов лазерного легирования, проведенных на достаточно широком классе материалов.

Первая глава посвящена анализу современного состояния проблемы структурообразования при лазерной обработке сталей, в том числе и лазерного легирования. Анализ имеющейся литературы по лазерному воздействию на вещество показал, что несмотря на кажущееся полным исследование структурообразования при лазерной обработке находятся вопросы, без решения которых картину формирования структуры нельзя считать законченной. Кроме того, имеются разногласия как в представленных разными авторами результатах, так и в объяснениях этих результатов. По лазерному легированию есть только констатация фактов повышения прочностных характеристик и эксплуатационных свойств, но нет объяснений этому. В ряде работ характеристики слоя связываются только с его фазовым составом, не связывая их со структурным строением. В целом в литературе приведены результаты исследования в достаточно широком диапазоне материалов, но не видно какой-либо связи свойств лазерно-легированных слоев от состава подложки, хотя различия все-таки есть.

Во второй главе приводятся составы материалов, на поверхности которых и с помощью которых осуществлялось лазерное легирование и перечень современных металпофизических и металлографических методик, применяемых доя изучения свойств материалов и процессов структурообразования.

Третья глава посвящена анализу особенностей формирования макроструктуры. Характеристики макросгруюуры в значительной мере определяют эксплуатационные свойства лазерно-легированного слоя. Однако в научной литературе очень мало подробных исследований макро-структурного состояния области лазерного воздействия. В отличие от имеющихся данных в литературе в диссертации показано, что макроструктура лазерно-легированного слоя имеет сложно-дифференцируемое зонное строение, связанное как с неполнотой протекания процессов перемешивания в жидкой ванне, так и с различной степенью нагрева зоны лазерного воздействия по глубже.

В четвертой главе приведены результаты исследований и закономерности образования микроструктурных составляющих лазерно-легированного слоя. Несмотря на многочисленные примеры микроструктурных исследований лазерно-легированных слоев до настоящего времени не существует единых представлений о морфологических особенностях зоны легирования, хотя почти все авторы утверждают, что полученная лазерным легированием микроструктура значительно отличается от традиционных микроструктур сталей и сплавов. Проведена размерно-морфологическая идентификация структурных элементов лазерно-легированного слоя. Установлено, что избыточные фазы в лазерно-легированном слое могут кристаллизоваться в виде псевдо-дендритов, представляющих собой пространственно-ориентированные комбинации глобулярных выделений. Определено, что основным структурным компонентом лазерно-легированного слоя является псевдоэвтектика, которая в сочетании с твердыми растворами и выделениями первичных карбидов хрома образует все многообразие структурных составляющих, причем, объемное соотношение их определяет среднюю микротвердость полученных слоев.

Пятая глава посвящена исследованию особенностей формирования структуры лазерно-легированных слоев на кристаллическом уровне, а именно, исследованию напряженного состояния твердых растворов, входящих в состав легированного слоя. Показано, что напряженное состояние кристаллической структуры, формируемое на трех уровнях - макроскопическом (поверхностные напряжения I рода), микроскопическом (напряжения II рода) и кристаллическом (статические напряжения III рода), определяет процессы, связанные с формированием микро- и макроструктуры лазерно-легированного слоя.

Результаты исследований влияния температурно-временных факторов на устойчивость сформировавшегося структурного состояния изложены в шестой главе диссертации. Результаты исследований влияния нагрева на структуру и свойства лазерно-легированных слоев показали, что при нагреве в легированных слоях протекают процессы, аналогичные процессам старения. Исследования влияния длительной выдержки на структурное состояние термообработанных лазерно-легированных слоев на стали У10 показали, что в период "вылеживания" при комнатной температуре в легированных слоях также протекают процессы, аналогичные процессам старения. Нагрев непосредственно после лазерного лешрования приводит к стабилизации структурного состояния.

В седьмой главе показано практическое применение лазерного легирования на реальных изделиях Испытания инструмента, подвергнутого лазерному карбоборохромированию как в лабораторных, так и в производственных условиях показали несомненное повышение эксплуатационных характеристик рабочих поверхностей. Об этом свидетельствуют акты испытаний, показывающие повышение стойкости штампов в 3-5 раз. Испытания режущего инструмента при резании легированной стали 14X3ГМЮ с твердостью 35-40 НЯС и высокой вязкостью структуры показали, что по сравнению с резцами из стали Р6М5, обработанными по стандартному режиму, резцы из стали Х12М с поверхностным лазерным карбоборохромированием обладают более высокой стойкостью к износу и при этом рельеф обрабатываемой поверхности более ровный

На основании проведенных исследований можно сделать следующие основные выводы:

1. Оптимизация технологических параметров импульсного лазерного карбоборохромирования позволяет получить на поверхности сталей высокодисперсный легированный слой толщиной 150-200 мкм с твердостью выше 10 ГПа. Структура поверхности стали с такими параметрами в сочетании с основными преимуществами метода лазерной обработки позволяет значительно улучшить эксплуатационные характеристики деталей и расширить области применения недорогих сталей.

2. Обнаружено, что образовавшаяся в результате импульсного лазерного карбоборохромирования структура поверхностного слоя обладает значительно более высоким уровнем температурно-временной стабильности, чем современные теплостойкие стали, что позволяет использовать импульсное лазерное карбоборохромирование для обработки поверхности деталей, работающих при повышенных температурах. Показано, что по величине теплостойкости слои лазерного карбоборохромирования превосходят быстрорежущие стали, не уступая им в твердости.

3. Доказано, что последующая термическая обработка повышает устойчивость структурного состояния слоя лазерного легирования без значительного снижения твердости структуры Это позволяет, при помощи последующей термической обработки лазерно-легированного слоя не только придать поверхности требуемые механические характеристики, но окончательно сформировать структуру и свойства материала всей детали

4. Установлено, что макроструктура лазерно-легированного слоя имеет дифференцируемое зонное строение, связанное как с неполнотой протекания процессов перемешивания в жидкой ванне, так и с различной степенью нагрева по глубине зоны лазерного воздействия. В отличие от других технологий легирования поверхности сталей, обеспечивающих аналогичный уровень упрочнения, в методе импульсного лазерного карбоборохромирования обеспечивается плавное изменение структуры и свойств при переходе из одной зоны в другую.

5. Основным элементом микроструктуры лазерно-легированного слоя является псевдоэвтекшка с размером частиц упрочняющих фаз 0.2-0.4 мкм, которая в сочетании с твердыми растворами и выделениями первичных карбидов хрома образует все многообразие структурных составляющих Определены способы управления составом структурных составляющих и, через это, свойствами слоя лазерного карбоборохромирования.

6. Основой псевдоэвтектики как структурной составляющей является смесь твердых растворов на основе 01ДК- и ГЦК-решетки с высокодисперсными частицами избыточных фаз (карбидов и боридов хрома и железа). Изменение химического состава легирующей композиции позволяет целенаправленно изменять как состав псевдоэвтектики, так и связанные с ним свойства слоя лазерного легирования.

7. Твердые растворы, входящие в состав лазерно-легированных слоев, сохраняют высокую степень перес ыщенности вплоть до температур 700-900°С, что невозможно в сталях, полученных обычными способами выплавки и термообработки Релаксация статических напряжений Ш рода при высоких температурах приводит к искажению кристаллической решетки ГЦК-твердого раствора по тетрагональному или гексагональному типу. С помощью термической обработки после образования слоя лазерного легирования можно управлять как степенью пересыщения твердых растворов, так и напряженным состоянием их кристаллической решетки Это позволяет снизить уровень неблагоприятных напряжений, которые могут вызвать появление дефектов в поверхностном слое.

8. Высокая степень пересыщенности твердых растворов и высокая насыщенность точечными дефектами приводят к образованию устойчивых комплексов легирующих элементов с этими дефектами, что препятствует диффузии и связанными с ней процессами коагуляции. Даже нагрев на 900°С не приводит к заметному росту частиц упрочняющих фаз, размер которых достигает лишь 0.4-0.6 мкм. Высокая дисперсность во многом определяет однородность структуры поверхностного слоя и высокий уровень эксплуатационных характеристик

Результаты, полученные в процессе исследования особенностей формирования структуры лазерно-легированных слоев на поверхности сталей, могут быть использованы для разработки технологических процессов упрочнения деталей, работающих в тяжелых условиях.