автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Повышение служебных свойств поверхности конструкционных низкоуглеродистых сталей методом лазерного легирования

На правах рукописи

КАЛАШНИКОВА МАРИНА СЕРГЕЕВНА

ПОВЫШЕНИЕ СЛУЖЕБНЫХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТИ КОНСТРУКЦИОННЫХ НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ МЕТОДОМ ЛАЗЕРНОГО ЛЕГИРОВАНИЯ

05.03.06 -Технологии и машины сварочного производства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

\

Екатеринбург 2003

Диссертация выполнена в Пермском государственном техническом университете.

Научный руководитель - профессор, доктор технических наук

Игнатов Михаил Николаевич

Научный консультант - действительный член Нью-Йоркской академии наук, доцент, кандидат технических наук Постников Валерий Сергеевич

Официальные оппоненты: старший научный сотрудник,

Ведущая организация - Уральский научно-исследовательский институт

Защита состоится 19 мая 2003 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212.285.10 в Уральском государственном техническом университете - УПИ, по адресу: 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19, ауд. М-323.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральского государственного технического университета - УПИ

Автореферат разослан « 19 » 2003 г.

доктор технических наук Яковлева Ирина Леонидовна, доцент, кандидат технических наук Коробов Юрий Станиславович

композиционных материалов, г. Пермь

Ученый секретарь диссертационного совета

Ю. Б. Чечулин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Развитие промышленности невозможно без создания качественно новых материалов и технологий. К одним из наиболее перспективных технологических процессов относятся лазерные технологии. Они позволяют успешно решать проблему создания материалов с заданным комплексом физико-механических и эксплуатационных свойств путем целенаправленного формирования оптимального структурного состояния как в условиях поиска новых эффективных составов, так и путем совершенствования существующих методов лазерного модифицирования поверхности сталей и сплавов. Управляя параметрами лазерного излучения и варьируя составы легирующих композиций можно формировать такие свойства поверхностных слоев, которые обладают неоспоримыми преимуществами по сравнению со свойствами, получаемыми при обработке поверхностей традиционными методами. Несмотря на многочисленные исследования в области лазерного воздействия на вещество до настоящего времени недостаточно развиты представления о взаимосвязи между составом, структурой и свойствами материала, формирующегося в процессе лазерного легирования. Именно отсутствие систематических исследований затрудняет возможность реальной оценки перспективности и экономической эффективности применения лазерного легирования для конкретных изделий, что существенно сдерживает создание и развитие технологических процессов с использованием мощного лазерного излучения.

Цель работы. Комплексное исследование закономерностей формирования поверхностных слоев при импульсном лазерном легировании конструкционных низкоуглеродистых сталей для повышения служебных свойств изделий.

В соответствии с указанной целью в работе были поставлены и решены следующие задачи:

1) Установить закономерности формирования структуры слоев лазерного легирования на поверхности сталей;

2) Оценить коррозионную стойкость поверхностных слоев сталей после лазерного легирования;

3) Определить износостойкость легированных слоев;

4) Исследовать теплопроводность слоев лазерного легирования;

5) Изучить влияние температурно-временных параметров на устойчивость структурного состояния поверхнсртьш слоев сталей после лазерного легирования.

ЮС ««»' "ИЧАЛЬМЛЯ В» ' НА

{ > » Ч 0Г

Научная новизна работы:

- Определено влияние элементов легирующих композиций на структурное состояние слоев импульсного лазерного легирования.

- Впервые оценена теплопроводность слоев лазерного легирования в диапазоне температур от 25° до 400° С.

- Установлены механизмы коррозии слоев лазерного легирования в различных средах.

- Определены закономерности изнашивания легированных слоев при трении скольжения в различных условиях испытаний.

Практическая ценность работы:

1. Установлены основные технологические параметры лазерного легирования, необходимые для получения упрочненного слоя с требуемыми характеристиками на поверхности сталей.

2. Даны рекомендации по практической реализации метода импульсного лазерного легирования бор - и углеродосодержащими композициями для повышения надежности и долговечности рабочих поверхностей деталей, машин и инструмента. Установлено, что использование данных композиций позволяет увеличить срок службы деталей насосного оборудования в 2-4 раза в результате повышения их износостойкости.

3. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры металловедения, термической и лазерной обработки металлов Пермского государственного технического университета в виде содержательной части текста лекций, раскрывающих особенности методов поверхностного упрочнения материалов с использованием высококонцентрированных источников энергии при чтении курсов «Лазерная обработка», «Поверхностная обработка материалов».

Реализация работы в промышленности:

Технология лазерного легирования освоена в ЗАО «Сибур-Химпром» (г. Пермь) для упрочнения поверхности деталей, работающих при различных видах изнашивания.

Апробация:

Материалы диссертации доложены и обсуждены на Международной конференции «б* International Conference on Industrial Lasers and Laser Applications 98» (г. Шатура, 1998 г.), VI Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы материаловедения» (г. Новокузнецк, 1999 г.), III Международной научно-практической конференции «Проблемы строительства, инженерного обеспечения и экологии городов» (г. Пенза, 2001 г.), XIV Уральской Школе металловедов-термистов «Фундаментальные проблемы физического металловедения перспективных материалов»

(г. Ижевск, 1998 г.), областной научной конференции молодых ученых, студентов и аспирантов «Молодежная наука Прикамья - 2002» (г. Пермь, 2002 г.), XXIX научно-технической конференции механико-технологического факультета Пермского государственного технического университета «Повышение качества изготовления и эксплуатационных характеристик деталей машин технологическими методами» (г. Пермь, 1998 г).

Публикации:

По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ.

Объем работы:

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложения, содержащего акты испытаний. Материал изложен на 131 странице машинописного текста, включая 32 таблицы, 27 рисунков и библиографический список используемой литературы из 130 наименований.

Автор выражает признательность канд. техн. наук Беловой С. А. за научное консультирование и техническое содействие в процессе выполнения диссертационной работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обсуждаются проблемы использования лазерного легирования непрерывным и импульсным излучением для получения поверхностных

слоев сталей, обладающих высоким уровнем физико-механических и эксплуатационных свойств, обосновывается актуальность проводимых исследований. Сформулирована цель работы и намечены этапы исследования. Дана общая характеристика содержания диссертации по главам.

В первой главе проведен анализ отечественной и зарубежной литературы. Рассмотрено влияние лазерного излучения на вещество, особенности скоростного нагрева и охлаждения при обработке непрерывным импульсным излучением, приведена классификация методов поверхностной лазерной обработки. Показана перспективность использования лазерного легирования для целенаправленного формирования фазового состава, структуры и комплекса физико-механических и эксплуатационных свойств, часто недостижимых при традиционных методах термической обработки. Анализ литературных данных позволил выявить недостатки и противоречия результатов исследований по лазерному легированию, что свидетельствует об отсутствии единых взглядов на механизм взаимодействия лазерного излучения с веществом.

На основании проведенного анализа сформулированы цель и задачи работы.

Во второй главе описаны исследованные материалы и методики проведения экспериментов.

Для изготовления образцов использовали стали марок 10, 20, 35, 15Х, 12ХНЗА, 12Х2Г2НМФТ. Химический состав исследуемых материалов соответствует ГОСТ 1050-88, 4543-71, ТУ 14-1-4891-90. В качестве материалов для лазерного легирования использовали комбинации из порошков хрома, никеля и карбида бора. Размер частиц порошков составлял 40-60 мкм. Связующим веществом был выбран 5 %-ный раствор канифоли в этиловом спирте. Толщина наносимых шликерных композиций - 0,14-0,16 мм.

Дальнейшую обработку покрытий проводили на воздухе на лазерных технологических установках импульсного действия «Квант-10; 15; 18» с плотностью мощности от 2-105 до 5 • 106 Вт/смг. В результате лазерного легирования ' на поверхности сталей и сплавов были получены слои глубиной 0,15-0,25 мм. Микрогеометрию поверхности контролировали с помощью профилометра «Калибр» с цифровым отсчетом и индуктивным преобразователем 296 модели.

Определение фазового состава поверхностных слоев осуществляли методами качественного и количественного фазового анализа на рентгеновском дифрактометре ДРОН-2,0 в железном и кобальтовом монохроматизированных Ка-излучениях. Прецизионные определения параметров кристаллических решеток твердых растворов производили методом графической экстраполяции с применением метода наименьших квадратов для построения экстраполяцион-ной прямой.

Для обнаружения отдельных химических элементов в легированных слоях, а также для контроля степени гомогенности твердых растворов на поверхности и по глубине слоя применяли микрорентгеноспектральный анализ, который проводили на растровом электронном микроскопе РЭМ-ЮОУ с приставкой ВДАР-1.

Микроструктуру поверхностных легированных слоев изучали на оптическом микроскопе «КеорЬо1-32» при увеличении в 100-1000 раз. Тонкую структуру легированных слоев исследовали методом сканирующей электронной микроскопии с использованием растрового электронного микроскопа РЭМ-100У.

Измерение твердости материала основы проводили на приборе Роквелла по шкале НЯС по ГОСТ 9013-75. Распределение микротвердости по поверхности и глубине легированного слоя, а также средний балл микрохрупкости структуры слоя определяли на приборе ПМТ-3 при нагрузках 0,49 Н и 0,98 Н соответственно. Оценка микрохрупкости производилась по методике, описанной в книге (Глазов В.М., Вигдорович В.Н. Микротвердость металлов. - М.: Госуд. научн. - техн. изд-во, 1962. - 224 е.).

Для определения коэффициентатеплогроюдности применяли прибор ИТ-Х-400, предназначенный для измерения коэффициента теплопроводности в интервале температур от -100° до +400° С. Прибор был протарирован на измерения в

диапазоне 1,5-395 Вт/(м К). Для тарировки измерителя применяли кварцевую и медную эталонные пластины.

Испытания на общую коррозию проводили согласно ГОСТ 9.905-85. Коррозионную стойкость оценивали по величине показателя сплошной или общей коррозии Дт по ГОСТ 9.908-85, а также по скорости коррозии. Сравнительные испытания на коррозионную стойкость проводили при комнатной температуре в 10%-ном растворе Нгв04; 0,5 М морской воде и 65%-ном растворе КОН в течение 0,75; 1,5; 3; 6 часов.

Испытания на износ в условиях трения скольжения проводили на машине трения СМЦ-2 при нагрузках 25-1800 Н. В качестве рабочих сред использовали индустриальное масло И-70А; 0,5 М морскую воду; воздух. Испытания проводили при постоянной скорости скольжения 1,3 м/с при комнатной температуре. По изменению линейной интенсивности изнашивания судили о степени износа легированных слоев. Величину линейного износа рассчитывали на основании профилограмм дорожек трения, полученных с помощью профилографа П-203.

Третья глава посвящена исследованию процессов структурообразова-ния в поверхностных слоях сталей после лазерного легирования импульсным излучением. Общий вид легированного слоя показан на рис. 1.

Рис. 1 Общий вид поверхностного слоя стали 12ХНЗА после однократного лазерного легированна импульсным излучением; х50

Микрорентгеноспектральный анализ поверхностных слоев стали 12ХНЗА после лазерного легирования (В4С+Сг) показал их интенсивное насыщение легирующими элементами, в частности, хромом. Содержание хрома в слое после лазерного легирования возрастает в 9-13 раз. После однократной лазерной обработки различие в концентрации хрома по глубине слоя достигает 2-2,5% в пределах одной ванны (рис. 2, а), после двукратной обработки происходит выравнивание химического состава в пределах всей зоны лазерного легирования, и различие в концентрации хрома уменьшается до 0,5-1% (рис. 2, б).

16 * 14

* 12 ¡.10

Ш 8 § 6

8- 4

8 2

и 1

о

г^ч

\

\

\

\

V

—1

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Расстояние от поверхности, мм

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Расстояние от пдорхмхпи, мм

Рис. 2 Распределение хрома в зоне лазерного воздействия на поверхности стали 12ХНЗА: а - после однократного лазерного легирования; б- после двукратного лазерного легирования

Двукратная лазерная обработка при легировании поверхности стали 12Х2Г2НМФТ также приводит к образованию гомогенной структуры, при этом концентрация хрома в поверхностном слое резко возрастает по сравнению с исходным содержанием элемента в стали и составляет 18,9-21,1% (рис.3).

£ с*

I

§

О

20 16 12 8 4 0

1

0,1 0,2 0,3 Рстояние от поверхности, мм

0,4

0,5

Рис.3. Распределение хрома по Шубине легированного слоя на поверхности стали 12Х2Г2НМФТ

Рентгенофазовый анализ поверхностных слоев сталей 12ХНЗА и 12Х2Г2НМФТ после лазерного легирования композицией (В4С+Сг) показал, что в их фазовом составе присутствуют сильно пересыщенные твердые растворы на основе а - и у - Ре, а также бориды и карбиды хрома и железа (табл. 1) По данным количественного рентгенофазового анализа установлено, что в составе слоя лазерного легирования преобладает твердый раствор на основе - у - Ре.

Одновременно в составе слоев присутствует и твердый раствор на основе а - Ре, при этом соотношение твердых растворов а/у составляет от 42/58 до 47/53. Соотношение твердых растворов зависит от исходной структуры материала основы. В составе легированного слоя, полученного на поверхности материала основы в исходно-отожженном состоянии, количество твердого раствора на основе а- Ре почти соответствует количеству твердого раствора на основе у - Ре (соотношение а/у составляет 47/53). В составе легированного слоя, полученного на поверхности материала основы в исходно-закаленном состоянии, преобладает твердый раствор на основе у - Ре (соотношение а/у составляет 42/58).

Повторная лазерная обработка слоя лазерного легирования приводит к изменению соотношения твердых растворов в структуре слоя. В фазовом составе легированного слоя возрастает доля твердого раствора на основе а - Ре, и соотношение а/у уже варьируется в пределах от 64/36 до 72/28.

Таблица 1

Фазовый состав поверхностных слоев сталей после лазерного легирования импульсным излучением

Сталь Твердые растворы Карбиды Бориды

10 а, у Сг23С6 Ре2В

20 а, у СггзСб, Сг3Сг РегВ, Сг5В3, СгВ

35 а. Г Сг7С3 РезВ, РеВ, Сг5В3

15Х а, у СггзСб, СГ7С3, Сг,Сз РегВ, Сг3В4

12ХНЗА а, у Ре3С, Сг3С2 РезВ, СгаВ, СгВ

12Х2Г2НМФТ а, у Ре3С, Сг7С3 РезВ, РеВ, СгВ

Исследования макроструктуры показывают, что в процессе импульсного лазерного легирования поверхностный слой приобретает характерное зональное строение. Общая глубина ванны расплава на поверхности конструкционных сталей составляет 0,15-0,25 мм. Величина зоны термического влияния невелика, что связано с кратковременностью действия лазерного импульса, и составляет 0,03-0,1 мм в разных конструкционных сталях. Микроструктура слоев лазерного легирования состоит из твердых растворов, упрочняющих частиц в виде карбидов и боридов, а также эвтектики - механической смеси твердых растворов и упрочняющих частиц.

Электронно-микроскопические исследования позволили детально изучить морфологию упрочняющих частиц. В пределах одного слоя можно обнаружить выделения трех морфологических типов: звездчатые, линейчатые и птобулярные. Звездчатые выделения дендритного типа характерны для бори-

дов хрома. Выделения в виде линейчатых дендритов присущи карбидам хрома. Те и другие выделения состоят из отдельных изолированных глобулярных частиц. Избыточные фазы в виде отдельных глобулярных частиц (карбидов и борвдов железа и хрома) являются наиболее распространенными в структуре легированных слоев. Размер глобул составляет 0,2-0,4 мкм.

В четвертой главе приведены результаты исследования физико-механических и эксплуатационных свойств легированных слоев.

Глубина слоя лазерного легирования зависит от теплофизических характеристик материала основы. Чем выше теплопроводность металла, тем интенсивнее происходит тегоюотвод в глубинные слои стали. При этом увеличивается ванна расплава, а концентрация растворенного в ней легирующего элемента уменьшается. Расчеты показали, что коэффициент теплопроводности слоев лазерного легирования на поверхности конструкционных низкоуглеродистых сталей в 10-20 раз меньше коэффициента теплопроводности самих сталей.

Изнашивание тесно связано с развиваемой контактной температурой. Выделение теплоты трения в узлах трения, расположенных в непосредственной близости от основных рабочих частей машины, может оказать существенное влияние на технические характеристики этих машин. Для таких узлов трения обычно используют материалы, отличающиеся низкой теплопроводностью, поэтому температурное поле, возникающее в таких узлах трения, во многом определяет их работоспособность, надежность, износостойкость и мощность трения. Легированные слои имеют невысокий коэффициент теплопроводности, сопоставимый с теплопроводностью неметаллических материалов, таких, как фарфор и кварцевое стекло (табл. 2).

Таблица 2

Зависимость коэффициента теплопроводности [ X, Вт/(м К)] слоя лазерного легирования от температуры

Сталь Режим исходной термической обработки Температура, °С

100 200 300 400

10 Отжиг 920е С 2,1 1,9 1,8 1,6

Закалка 780е С 0,8 0,8 0,7 0,6

35 Отжиг 850° С 1,4 1,4 1,3 1,2

Закалка 760° С 1,3 1,2 1,2 1,0

15Х Отжиг 890° С 2,2 2,2 2,2 1,9

Закалка 880° С 0,6 0,6 0,6 0,5

12ХНЗА Отжиг 820° С 2,5 1,9 1,8 1,6

Закалка 820° С 0,6 0,5 0,5 0,5

Лазерное легирование значительно повышает микротвердость поверхности сталей (от 10 до 20 ГПа) в зависимости от материала основы. Сравнительные данные по микротвердости приведены в таблице 3.

Таблица 3

Распределение микротвердости по поверхности слоя стали, легированного хромом и карбидом бора

Сталь Режим исходной термической обработки Микротвердость сердцевины, МПа Микротвердость упрочненного слоя, МПа

10 Отжиг 920° С 1900-2100 7700-9600

Закалка 780° С 3200-3800 9400-115000

35 Отжиг 850° С 2000-2200 7900-11200

Закалка 760° С 5100-5700 12500-16900

12ХНЗА Отжиг 820° С 2100-3300 17500-20000

Закалка 820° С 3700-4700 15500-18500

12Х2Г2НМФТ Закалка 900° С+ низкий отпуск 200° С 3400-3800 10500-11500

Закалка 750° Си-высокий отпуск 650° С 2600-2800 13000-15000

В пределах зоны оплавления наблюдается стабильно высокая твердость. Это связано с присутствием Ре - В эвтектики, наличием пересыщенных твердых растворов на основе а- и у- Ре и большим количеством дисперсных карбидов и боридов в структуре слоя, сформированного в процессе лазерного легирования.

При изучении коррозионной стойкости легированных слоев сталей 12ХНЗА и 12Х2Г2НМФТ композицией (В4С+Сг) было установлено, что в кислой (10%-ный раствор Н2504) и нейтральной (0,5 М морская вода) средах разрушение легированных слоев происходит в результате протекания питтинго-вой коррозии. В щелочной среде (65%-ный раствор КОН) наряду с питтинговой коррозией присутствует межкристаллитная коррозия. Питтинговая коррозия протекает в три этапа: начальный, основной и заключительный. Местом зарождения питтингов являются неметаллические включения и образования сферической формы, появляющиеся в момент охлаждения жидкого металла на границах пятен и дорожек от воздействия лазерного луча (рис. 4, а). Начальный этап заключается в образовании множества питтингов (15-20 пит-

тингов на 1 мм2) на границах перекрытия пятен и дорожек (рис. 4, б). На основном этапе наблюдался их быстрый рост и образование новых питтингов (увеличение до 50-60 питтингов на 1 мм') как на границах, так и в самих пятнах от воздействия лазерного луча (рис. 4, в). На заключительном этапе происходило слияние питтингов и переход от точечной к сплошной коррозии (рис. 4, г).

Коррозионная стойкость поверхностных слоев стали 12ХНЗА, легированных композицией (В4С+Сг), после б- часовой выдержки в 10%-ном растворе Н2804 сопоставима с коррозионной стойкостью стали 20X13, взятой для сравнения.

Рис 4. Механизм коррозии легированных слоев стали 12ХНЗА в 10%-ном растворе Н2504 а - расположение включений на границах пятен и дорожек; х200, б - расположение питтингов; х200, в - питгинги в пределах пятен и дорожек, хЮО, г - разрушение легированного слоя; х100

Рис 5 Поверхности трения образцов, прошедших лазерное легирование хромом и карбидом бора, после изнашивания в различных средах а - масло; б - воздух; в - 0,5 М морская вода; х 4

Износостойкость легированных слоев увеличилась в 1,5-7 раз.

Механизмом изнашивания пары «сталь ШХ15 - слой лазерного легирования» стали 12ХНЗА является гидроабразивное взаимодействие при граничном трении. Поверхности трения контртела и легированного слоя отличаются характерными для микрорезания рисками и полосами скольжения (рис. 5, а). При изнашивании на воздухе также преобладает механическое разрушение (рис. 5, б). В ходе изнашивания происходит частичный перенос металла контртела на поверхность образца. В морской воде преобладает окислительный вид изнашивания. Характер износа существенно отличается от двух предыдущих тем, что на поверхности контртела и образца отчетливо видны не только полосы скольжения, но и питтинги, покрывающие зону трения ограниченными участками (рис. 5, в).

Структура слоев лазерного легирования обладает высокой термической устойчивостью. В результате нагрева слоев от 300° до 900° С происходит монотонное снижение значений микротвердости, а размер упрочняющих фаз увеличивается до 0,4-0,6 мкм. Для легированных слоев на поверхности стали 12ХНЗА микротвердость после нагрева на 900° С уменьшается в 2 раза, для легированных слоев стали 12Х2Г2НМФТ - в 3 раза. Длительный отжиг слоев в течение 6 часов при 900° С не приводит к полному разупрочнению легированных слоев. Микротвердость остается значительно выше микротвердости материала основы.

Скорость коррозии упрочненных слоев сталей 12ХНЗА и 12Х2Г2НМФТ с увеличением температуры нагрева уменьшается в 3-8 раз (в 10%-ном растворе Н2804, выдержка в электролите - 6 часов), а с увеличением длительности выдержки при 900° С возрастает в 1,8 раза по сравнению со скоростью коррозии, полученной для легированных слоев, нагретых на 300° С.

Высокую износостойкость в масле, морской воде и на воздухе показали слои, нагретые на 300° и 900° С.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

На основании проведенных исследований можно сделать следующие основные выводы:

1. Установлено, что в процессе импульсного лазерного легирования с последующим лазерным переплавом на поверхности конструкционных низкоуглеродистых сталей формируются легированные слои глубиной 0,15-0,25 мм с однородным химическим составом.

2. Основными элементами микроструктуры являются твердые растворы на основе а - и у - Ре и большое количество упрочняющих фаз в виде дисперсных включений карбидов и боридов хрома и железа.

3. Твердые растворы на основе а- и у - Ре обладают значительной степенью пересыщения, которое вызвано элементами внедрения (бор и углерод).

4. Исследованы морфологические особенности упрочняющих фаз. После импульсной лазерной обработки в структуре легированных слоев присутствуют звездчатые, линейчатые и глобулярные выделения. Звездчатые дендриты характерны для боридов железа, линейчатые - для карбидов хрома, глобулярные - и для карбидов, и для боридов хрома и железа.

5. Определено, что структура слоев лазерного легирования обладает коэффициентом теплопроводности, который в 10-20 раз меньше коэффициента теплопроводности материала основы.

6. Установлено, что основным механизмом коррозионного разрушения слоев лазерного легирования является питшнговая коррозия. Поверхностные слои конструкционных низкоуглеродистых сталей после импульсного лазерного легирования обладают повышенным уровнем коррозионной стойкости.

7. Изучено влияние процесса импульсного лазерного легирования на механизм и линейную интенсивность изнашивания поверхностных слоев сталей в условиях трения скольжения при испытаниях в различных средах.

8. Обнаружено, что структура поверхностного слоя, образовавшаяся в ре- > зультате импульсного лазерного легирования композицией (В4С + Сг), обладает достаточно высоким уровнем температурно-временной стабильности механических и эксплуатационных свойств.

9. Разработаны технологические рекомендации по повышению служебных свойств рабочих поверхностей плунжеров насосно-компрессор-ного оборудования методом лазерного легирования. Производственные испытания показали повышение их эксплуатационной стойкости в 2-4 раза по сравнению со стойкостью плунжеров, обработанных по традиционной технологии.

Материалы диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Гаврилов В.Б., Калашникова М.С. Структура и свойства стали Х12М после лазерного легирования поверхности // Всесоюзная конференция молодых ученых и специалистов «Физическое материаловедение и физико-химические основы создания новых материалов»: Тез. докл. - Львов, 1989.

2. Томсинский B.C., Гаврилов В.Б., Калашникова М.С. Лазерное легирование поверхности штамповой стали XI2М. Сб. «Автоматизация в сварочном производстве» // III Зональная конференция сварщиков Урала и Казахстана: Тез. докл. - Ижевск, 1989. - С.44.

3. Томсинский B.C., Гаврилов В.Б., Калашникова М.С. Штамповый инструмент, обработанный с поверхности излучением лазера // Международная выставка. - Риекка, Югославия, 1989.

4. Томсинский B.C., Гаврилов В.Б., Калашникова М.С. Штампы, обработанные с поверхности излучением лазера // Международная выставка. - Познань, Польша, 1989.

5. Постников B.C., Калашникова М.С. Формирование структуры при лазерном легировании низкоуглеродистых конструкционных сталей // XIV Уральская школа металловедов-термистов «Фундаментальные проблемы физического металловедения перспективных материалов»: Тез. докл. - Ижевск-Екатеринбург, 1998.-С.226.

6. Postnikov V.S., Belova S.A., Kalashnikova M.S. About features of structure formation by laser alloying of steels with carbon-boron-chromium composition. 6th International Conference on Industrial Lasers and Laser Applications 98,27-29 June 1998, Shatura, Moscow Region, Russia. Published by SPIE - The International Society for Optical Engineering USA, 1998. - P.270-277.

7. Постников B.C., Калашникова M.C., Салькина E.B. Исследование структуры и свойств низколегированной стали 12ХНЗА после лазерного карбобо-роникелирования // XXIX науч.-техн. конф. ПГТУ «Повышение качества изготовления и эксплуатационных характеристик деталей машин технологическими методами»: Тез. докл. - Пермь, 1998. - С.21-22.

8. Постников B.C., Калашникова М.С., Баканина А. А. Исследование процессов структурообразования в низкоуглеродистой мартенситной стали 12Х2Г2НМФТ при лазерной обработке // XXIX науч.-техн. конф. ПГТУ «Повышение качества изготовления и эксплуатационных характеристик деталей машин технологическими методами»: Тез. докл. - Пермь, 1998. - С.20-21.

9. Постников B.C., Калашникова М.С. Исследование структуры поверхностного слоя после лазерного легирования низкоугаеродистых конструкционных сталей // ФиХОМ, 1999, № 6. - С.47-51.

10. Постников B.C., Калашникова М.С., Ульрих Т. А. Изучение теплопроводности низко- и среднеушеродистых конструкционных сталей // VI Международ. конф. «Актуальные проблемы материаловедения»: Тез. докл. - Новокузнецк, 1999.-С.64.

17215

11. Постников B.C., Калашникова М.С., Салькина E.B. Особенности структуры и свойств поверхностного слоя стали 12ХНЗА после лазерного карбобо-роникелирования // Вестник Ш ГУ: Механика и технология материалов и конструкций. - Пермь, 1999, № 2. - С.34-37.

12. Калашникова М.С., Белова С. А., Мазепина Ю. А. Оценка коррозионной стойкости поверхностных слоев конструкционных сталей после лазерного легирования // Областная конференция молодых ученых, аспирантов и студентов. - Сб. тез. докл. - Пермь, ПГТУ, 2000.

13. Калашникова М. С., Долгих В. И., Федин В. М., Борц А. И., Белова С. А. Повышение служебных свойств поверхности стали методом лазерного легирования // III Международ, научн.-техн. ионф. «Проблемы строительства, инженерного обеспечения и экологии городов»: Сб. материалов. - Пенза, 2001. - С. 38-40.

14. Калашникова М.С. Теплопроводность поверхностного слоя стали после лазерного легирования // Вестник ПГТУ: Механика и технология материалов и конструкций. - Пермь, 2002, № 5. - С. 1-7.

15. Игнатов М.Н., Калашникова М.С., Белова С.А. Исследование влияния лазерного легирования на износостойкость конструкционных сталей // Вестник ПГТУ: Механика и технология материалов и конструкций. - Пермь, 2002, № 5. - С.85-90.

16. Игнатов М.Н., Калашникова М.С., Белова С.А. Влияние температурно-временных параметров на структуру и свойства поверхностного слоя конструкционных сталей после лазерного легирования // Вестник ПГТУ: Механика и технология материалов и конструкций. - Пермь, 2002, № 5. - С. 154-159.

17. Игнатов М.Н., Калашникова М.С., Белова С.А. Влияние нагрева на эксплуатационные свойства поверхностных слоев конструкционных сталей после лазерного легирования//Вестник ПГТУ: Сварка. - Пермь, 2002.-С. 245-252.

18. Калашникова М. С. Исследование структуры и свойств стали 12ХНЗА после лазерного легирования хромом и карбидом бора // IV Уральская школа-семинар металловедов - молодых ученых: Материалы конференции - Екатеринбург, 2002. - С. 45.

19. Калашникова М.С. Коррозионная стойкость поверхностных слоев сталей после лазерного легирования // Областная научная конференция молодых ученых, студентов и аспирантов: Тез. докл. - Пермь, 2002. - С. 13.

20. Игнатов М.Н., Постников B.C., Белова С.А., Калашникова М.С. Формирование фазового состава в слоях лазерного легирования // Сб. научн. трудов IV Международной научно-практической конференции "Проблемы и перспективы развития литейного, сварочного и кузнечно-штамповочного производств", Барнаул, 2002. - С. 178-18J,_

Сдано в печать 15.04.Q 614000, г. Пермь, ГП «Типография № 1»,

fx 84 /16. Е,16.

). 100 экз.

Введение 1. Аналитический обзор и постановка задачи.

1.1. Лазерная обработка материалов.

1.1.1. Взаимодействие лазерного излучения с веществом.

1.1.2. Особенности нагрева и охлаждения при лазерной обработке

1.1.3. Классификация методов поверхностной лазерной обработки.

1.2. Лазерное легирование поверхности металлов.

1.2.1. Обоснование выбора компонентов легирующих композиций.

1.2.2. Формирование структуры при лазерном легировании.

1.2.3. Свойства поверхностных слоев после лазерного легирования.

1.3. Постановка задачи.

2. Методика экспериментальных исследований.

2.1. Материал исследования.

2.2. Методика процесса лазерной обработки.

2.3. Методика определения микрогеометрии поверхности.

2.4. Методика металлографических исследований.

2.5. Рентгеноструктурный анализ.

1.6. Микрорентгеноспектральный анализ.

1.7. Методика дюрометрических исследований.

1.8. Методика определения микрохрупкости структуры легированного слоя.

1.9. Измерение коэффициента теплопроводности.

1.10. Определение коррозионной стойкости в жидких средах.

1.11. Определение триботехнических свойств.

3. Исследование структуры поверхностных слоев сталей после лазерного легирования.

3.1. Распределение химических элементов в зоне лазерного воздействия.

3.2. Формирование фазового состава поверхности.

3.3. Исследование микроструктуры поверхностных слоев.

3.4. Формирование структуры поверхностных слоев.

3.5. Влияние температурно-временных параметров на устойчивость структурного состояния слоев лазерного легирования.

Выводы по главе.

4. Исследование свойств поверхностных слоев сталей после лазерного легирования и производственные испытания.

4.1. Физические и механические и свойства.

4.1.1. Роль структуры и химического состава легированных слоев при формировании теплофизических свойств.

4.1.2. Влияние состава поверхности на распределение микротвердости в зоне лазерного воздействия и в зоне термического влияния.

4.2. Эксплуатационные свойства.

4.2.1. Коррозионная стойкость.

4.2.1.1. Механизм коррозии легированных слоев сталей.

4.2.1.2. Влияние рН среды.

4.2.1.3. Влияние состава легирующих композиций и материала основы.

4.2.2. Износостойкость.

4.3. Практическое использование результатов исследований.

Выводы по главе.

В настоящее время лазерные технологии получения и обработки материалов ЧР* являются качественно новыми технологическими процессами, все шире внедряемыми в производство [5, 45, 64, 92, 99, 103]. В основе этих технологий лежит тепловое воздействие на материалы электромагнитного излучения, создаваемого оптическими квантовыми генераторами - лазерами.

Высокие плотности потока энергии лазерного излучения, существенно превосходящие мощности других источников энергии, позволяют получать качественно новые свойства поверхностей, недоступные традиционным методам обработки материалов и значительно увеличивать производительность обработки.

Лазерная обработка поверхностей металлов и сплавов относится к локальным методам термической обработки с помощью высококонцентрированных источников нагрева. В связи с этим, лазерный луч как источник нагрева при термической обработке материалов имеет черты, свойственные всем другим высококонцентрированным источникам, а также свои особенности и преимущества ^ [21, 97]. Лазерную обработку материалов можно проводить непрерывным или импульсным излучением.

Обработка поверхности материалов непрерывным лазерным излучением имеет ряд особенностей по сравнению с импульсной. Во-первых, нет ограничений по длительности лазерного воздействия, что позволяет увеличить геометрические размеры упрочненных зон, а также в более широком интервале изменять структуру и свойства упрочненных слоев. Во-вторых, по длине дорожек от лазерного воздействия нет зон многократного нагрева, а, следовательно, имеется возможность увеличения равномерности свойств по поверхности [63].

При обработке поверхности сталей и сплавов импульсным лазерным излучением также появляется ряд особенностей по сравнению с непрерывной. Во-первых, благодаря меньшей длины волны, импульсное излучение больше поглощается поверхностью материалов. Во-вторых, за счет уменьшения ^ расфокусировки лазерного луча при одной и той же мощности лазера можно добиться значительного повышения плотности мощности в импульсе. Температура нагрева материала значительно возрастает, и тугоплавкие соединения, имеющиеся в структуре поверхностного слоя, расплавляются. И, в-третьих, скорости охлаждения поверхности материалов после импульсной обработки в 100-1000 раз выше аналогичных для непрерывного излучения. В результате получаются уникальные структуры и свойства обработанной поверхности.

Однако значительные потенциальные возможности этих технологий далеко не всегда реализуются на практике из-за неоптимального выбора энергетических параметров, таких как мощность излучения, частота импульсов и др. Кроме того, трудности в правильном выборе компонентов легирующих компонентов и связующего вещества, недостаток точных количественных исследований в области изучения эксплуатационных свойств сдерживают развитие процесса лазерного легирования как одного из перспективных методов поверхностной лазерной обработки.

Лазерное легирование отличается от обычного лазерного упрочнения тем, что повышение твердости и других эксплуатационных показателей сталей достигается не только за счет структурных и фазовых превращений в зоне лазерного воздействия, но и путем создания нового сплава с отличным от матричного материала химическим составом. Тем не менее, в основе этого нового сплава лежит матричный материал.

Этот вид поверхностной лазерной обработки очень перспективен вследствие роста дефицита чистых металлов типа W, Mo, Ni, Cr, Со, V, острой необходимости снижения расхода высоколегированных сталей при одновременном увеличении надежности и долговечности изделий из менее дефицитных конструкционных материалов [52]. Многие российские (B.C. Коваленко, Ю.М. Лахтин, Д.Я. Коган, А.Н. Сафонов) и зарубежные ученые (Clifton W. Draper, Duley W. Walter.), работавшие в области лазерного легирования, указывают на перспективность легирования композициями, содержащими хром, никель, углерод, а также бор в свободном или связанном состоянии. Это позволяет получать слои с высоким уровнем износо- и теплостойкости [1, 39, 41, 45, 50, 104].

Данное исследование является продолжением цикла работ по изучению процесса импульсного лазерного легирования, начатых в 90-е годы сотрудниками кафедры металловедения и термической обработки металлов Пермского государственного технического университета B.C. Томсинским, В.Б. Гавриловым, B.C. Постниковым и С.А. Беловой.

Все вышеизложенное определило актуальность и выбор темы исследования.

Цель работы: комплексное исследование закономерностей формирования слоев лазерного легирования на конструкционных низкоуглеродистых сталях для повышения служебных свойств изделий.

В работе представлены результаты исследования структуры и свойств поверхностных слоев конструкционных низкоуглеродистых сталей после лазерного легирования импульсным излучением.

В первой главе проведен анализ отечественной и зарубежной литературы. Рассмотрено влияние лазерного излучения на вещество, особенности скоростного нагрева и охлаждения, приведена классификация методов поверхностной лазерной обработки. На основании имеющихся в литературе данных сформулированы требования, предъявляемые к компонентам легирующих композиций и связующего вещества, для получения высокого комплекса свойств поверхности. Рассмотрена концептуальная постановка задачи. Однако анализ литературных данных позволил выявить недостатки и противоречия результатов исследований по лазерному легированию, что свидетельствует об отсутствии единых взглядов на механизм ^ взаимодействия лазерного излучения с веществом.

Во второй главе указаны составы материалов и легирующих композиций, описаны современные металлофизические и металлографические методики, которые применяли для изучения процессов структурообразования и свойств легированных слоев сталей.

Третья глава посвящена анализу особенностей формирования микроструктуры. Проведена размерно-морфологическая идентификация структурных элементов легированных слоев, полученных после лазерной обработки импульсным излучением. Определено, что избыточные фазы кристаллизуются в виде дендритов, состоящих из отдельных глобулярных выделений. Установлено, что после лазерного легирования бор- и углеродосодержащими элементами, в структуре слоя присутствует эвтектика, состоящая из смеси твердых растворов и мелких включений боридов или карбидов. Исследовано влияние температурно-временных параметров на устойчивость структурного состояния легированных слоев сталей 12ХНЗА и 12Х2Г2НМФТ. Показано, что нагрев слоев лазерного легирования приводит к стабилизации их структурного состояния.

В четвертой главе приведены результаты исследований особенностей формирования физико-механических и эксплуатационных свойств легированных слоев сталей в зависимости от химического состава и исходного структурного состояния материала основы, химического и фазового состава легированного слоя. Показано, что наибольшей коррозионной стойкостью и износостойкостью обладают слои стали 12ХНЗА после лазерного легирования композицией (В4С+Сг) импульсным излучением. Структура поверхностного слоя обладает достаточно высоким уровнем температурно-временной стабильности механических и эксплуатационных свойств. Разработаны рекомендации по повышению служебных свойств рабочих поверхностей плунжеров насосно-компрессорного оборудования методом лазерного легирования. Эксплуатационная стойкость плунжеров после лазерного легирования возрастает в 2-ь4 раза.

Основные положения, выносимые на защиту:

- определение влияния элементов легирующих композиций на структурное состояние упрочненного слоя;

- установление принципов формирования структуры легированных слоев на ^ поверхности конструкционных низкоуглеродистых сталей;

- определение закономерностей изнашивания легированных слоев при трении скольжения в различных условиях испытаний;

- исследование взаимосвязи структуры легированных слоев с их свойствами: микротвердостью, коррозионной стойкостью, теплопроводностью и теплостойкостью;

- область применения процесса лазерного легирования на конкретных изделиях.

Диссертация состоит из введения, четырех, глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Текст изложен на 131 странице машинописного текста, включая 32 таблицы, 27 рисунков и библиографический список используемой литературы из 130 наименований.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Установлено, что в процессе импульсного лазерного легирования с последующим лазерным переплавом на поверхности конструкционных низкоуглеродистых сталей формируются легированные слои глубиной 0,15+0,25 мм с однородным химическим составом.

2. Основными элементами микроструктуры являются твердые растворы на основе а - и у - Fe и большое количество упрочняющих фаз в виде дисперсных включений карбидов и боридов хрома и железа.

3. Твердые растворы на основе а - и у - Fe обладают значительной степенью пересыщения, которое вызвано элементами внедрения (бор и углерод).

4. Исследованы морфологические особенности упрочняющих фаз. После импульсной лазерной обработки в структуре легированных слоев присутствуют звездчатые, линейчатые и глобулярные выделения. Звездчатые дендриты характерны для боридов железа, линейчатые - для карбидов хрома, глобулярные - и для карбидов, и для боридов хрома и железа.

5. Определено, что структура слоев лазерного легирования обладает коэффициентом теплопроводности, который в 10+20 раз меньше коэффициента теплопроводности материала основы.

6. Установлено, что основным механизмом коррозионного разрушения слоев лазерного легирования является питтинговая коррозия. Поверхностные слои конструкционных низкоуглеродистых сталей после импульсного лазерного легирования обладают повышенным уровнем коррозионной стойкости.

7. Изучено влияние процесса импульсного лазерного легирования на механизм и линейную интенсивность изнашивания поверхностных слоев сталей в условиях трения скольжения при испытаниях в различных средах.

8. Обнаружено, что структура поверхностного слоя, образовавшаяся в результате импульсного лазерного легирования композицией (В4С + Сг), обладает достаточно высоким уровнем температурно-временной стабильности механических и эксплуатационных свойств.

9. Разработаны технологические рекомендации по повышению служебных свойств рабочих поверхностей плунжеров насосно-компрессорного оборудования методом лазерного легирования. Производственные испытания показали повышение их эксплуатационной стойкости в 2-4 раза по сравнению со стойкостью плунжеров, обработанных по традиционной технологии.

1. Clifton W. Draper. Laser Surface Alloying: The State of the Art // Journal of Metals. 1982. - Vol. 34. - № 6, P. 24-32.

2. Kusinski I. Laser melting of T1 Hight Speed Tool steel // Metallurgical Transactions. - 1988. - Vol. 19A, Str. 377-382.

3. Kusinski I. Obrobka laserowa srednioweglowych stali chromowych //Hutnik. -1988.- №7, Str. 218-225.

4. Tomsinsky V.S., Postnikov V.S. Structure formation in the laser borating of the steel. Key Engineering Materials, Subscription Information Vols. 46 & 47, Trans Tech Publications, Zurich, Switzerland, 1990, P. 473-484.

5. A.c. 1557193 СССР, МКИ С 23 С 8/00. Способ лазерного легирования поверхности металла.

6. Али-заде И.И., Кабанова С.В., Крапошин B.C., Петрикин Ю.В. Фазовый состав и свойства поверхностей низкоуглеродистых сталей, легированных с помощью лазерного нагрева // ФиХОМ. 1987. - № 6, С. 76-81.

7. Анисимов С.И., Имас Я.А., Романов Г.С. и др. Действие излучения большой мощности на металлы. М.; Наука, 1970. — 272 с.

8. Артамонова И.В., Никитин А.А., Рыжков И.А. Влияние поверхностного лазерного легирования на структуру и механические свойства стали 40XII// МиТОМ. 1989. - №10, С. 5-7.

9. Асеева Е.Н. Формирование высоких триботехнических свойств деталей лазерной обработкой: Автореф. дис. канд. техн. наук: 05.03.01. / Волгоград, 2000. 20 с.

10. Бабушкин В.Б., Ворошнин Л.Г., Пархимович В.В. Особенности кристаллизации металлов и сплавов при лазерной обработке // Изв. вузов. Черная металлургия. 1990. - № 10, С. 42-44.

11. Багмутов В.П., Захаров И.Н. Исследование тепловых процессов при воздействии на материал концентрированных потоков энергии // ФиХОМ. -2002. -№3, С. 9-17.

12. Бекренев А.Н., Жаткин С.С., Паркин А.А. Исследование динамики нагрева металлов при импульсном лазерном воздействии // ФиХОМ. 1994. - № 6,1. С. 25-31.

13. Бекренев А.Н., Камашев А.В. Определение границ структурно-фазовых превращений в сталях при лазерном воздействии // ФиХОМ. 1995. - № 2, С. 19-23.

14. Белова С.А. Повышение эксплуатационных характеристик поверхности стали методом лазерного карбоборохромирования: Автореф. дис. канд. техн. наук / Пермь, 1999.-24 с.

15. Берзина И.Г., Бурякин А.В., Гусев Э.Б. и др. Особенности зон упрочнения, полученных при борировании импульсным лазером // Изв. вузов. Физика. — 1986.-№7, С. 105-107.

16. Берзина И.Г., Гусев Э.Б., Просолов B.C., Федина Г.Н. Влияние параметров лазерного воздействия на распределение бора в зоне упрочнения сталей и сплавов // ФиХОМ. 1990. - № 6, С. 43-47.

17. Брик В.Б. Кинетика миграции атомов углерода при фазовых превращениях в стали при лазерном облучении // ФиХОМ. 1989. - № 2, С. 21-27.

18. Бровер Г.И., Пустовойт В.Н., Бровер А.В., Магомедов М.Г., Холодова С.Н. Повышение качества химических покрытий лазерным облучением // Машиностроитель. 2001. - № 5, С. 38-43.

19. Бровер Г.И., Федосиенко С.С., Варавка В.Н. Повышение износостойкости инструментальных сталей путем лазерного легирования // ФиХОМ. 1984. -№ 1,С. 19-23.

20. Бураков В.А., Барышевская Е.Л., Буракова Н.М. Локальная цементация железа в условиях импульсного лазерного нагрева и скоростной закалки // Изв. вузов. Машиностроение. 1981. -№ 11, С. 106-111.

21. Веденов А.А., Гладуш Г.Г. Физические процессы при лазерной обработке материалов. — М.: Энергоатомиздат, 1985. 208 с.

22. Виноградов Б.А., Гавриленко В.Н., Либенсон М.Н. Теоретические основы воздействия лазерного излучения на материалы: Учебное пособие для вузов. — Благовещенск: Благовещенский политехнический институт, 1993. 345 с.

23. Вотинов Г.Н., Постников B.C. Моделирование процесса лазерного легирования из газовой среды // Сб. науч. трудов IV Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития литейного,24