автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Разработка технологии лазерного термического упрочнения и легирования сталей для энергетического машиностроения с целью повышения эксплуатационного ресурса изделий

На правах рукописи

КАСТРО ВИЛСОН АЛБЕЙРО

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ЛАЗЕРНОГО ТЕРМИЧЕСКОГО

УПРОЧНЕНИЯ И ЛЕГИРОВАНИЯ СТАЛЕЙ ДЛЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО РЕСУРСА ИЗДЕЛИЙ

Специальность 05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 3 СЕН 2012

Нижний Новгород - 2012

005046938

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Гаврилов Геннадий Николаевич

Официальные оппоненты: Белашова Ирина Станиславовна,

доктор технических наук, профессор, «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)», профессор кафедры «Металловедения и термической обработки»

Глебов Владимир Васильевич, кандидат физико-математических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Волжская государственная академия водного транспорта», доцент кафедры «Технологии конструкционных материалов и машиноремонта»

Ведущая организация: ОАО «ЦНИИ Буревестник», г. Нижний Новгород

Защита состоится «5» октября 2012 г. в 13:00 в ауд. 1258 на заседании диссертационного совета при ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева» по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Минина 24.

Тел. 8 (831) 436-63-22, e-mail: wacastro2000@yahoo.com

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке «Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева»

Автореферат разослан «4» сентября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета

В.А. Ульянов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Одной из актуальных проблем энергетического машиностроения является разработка эффективных технологий обработки, позволяющих обеспечить деталям требуемые свойства рабочих поверхностей. Применение лазерных технологий способствует улучшению износостойкости, коррозионной стойкости, снижению времени длительности химико-термической обработки и других технологических характеристик, которые позволяют повысить качество, долговечность и эффективность работы деталей и КПД изготовляемых машин и приборов, увеличить экономические и экологические эффекты. К возможным технологическим способам обработки деталей, которые можно осуществлять с помощью лазера относятся: поверхностная закалка, легирование, наплавка, сварка, размерная обработка, химико-термическая обработка. Вопросам воздействия лазерного излучения на свойства металлических материалов посвящены труды А.Г. Григорьянца, Г.И. Бровера, Д.Н. Гуреева, Л.И. Миркина, В.М. Андрияхина, А.В Макарова, К.В. Цай, О.П. Максимкина, Л.Г. Турубаровой, Л.Г. Коршунова, И.Ю. Малыгиной, А.Л. Осинцевой, Дж Рэди и др.

Лазерная закалка и лазерное легирование находят все большее применение в энергетическом машиностроении как способ повышения твердости, износостойкости, коррозионной стойкости и т.д. деталей. К числу преимуществ можно отнести высокие скорости и локальность лазерной обработки, которые снижают неблагоприятные влияния теплового воздействия в тех местах детали, в которых не требуется термообработка.

Преимущество лазерного легирования заключается в том, что изделия могут изготавливаться из широко используемых материалов, а дорогие и дефицитные компоненты расходуются только в относительно тонком поверхностном слое на локальном участке изделия. Однако внедрение этих технологий на промышленных предприятиях ограничивается тем, что систематизированных научных положений и экспериментальных результатов по лазерной закалке и лазерному легированию сталей применяемых в энергетическом машиностроении в настоящее время явно не достаточно.

Актуальность данного исследования обусловлена необходимостью создания научных основ для разработки технологий лазерной закалки и лазерного легирования и установления влияния технологических параметров обработки на изменение структуры и свойств поверхностных слоев изделий энергетического машиностроения, в которых широко используются высоколегированные конструкционные стали различных классов.

Работа выполнялась на основе программы «Развитие научного потенциала вышей школы», программы «Развитие инфраструктуры научно-технической и инновационной деятельности высшей школы и ее кадрового потенциала» и Единого Заказ - наряда Министерства образования и науки РФ «Разработка фундаментальных основ создания новых металлических, неметаллических и композиционных материалов» р/н № 1.2.09.

Цель работы

Целью данной работы является создание научных основ повышения эксплуатационного ресурса изделий энергетического машиностроения за счет лазерного термического упрочнения и легирования используемых конструкционных сталей. Для достижения поставленной цели в диссертации необходимо было выполнить:

1.Металлографическими, физическими, химическими и рентгеноспектральными методами исследовать структурные композиции, формирующиеся в поверхностном слое сталей марок 03Х21Н32МЭБ, 12Х18Н10Т, 38Х2МЮА, 08Х14Н5М2ДЛ, 38ХНЭМФА, 38Х2Н2МА при лазерной закалке и стали 38Х2МЮА при лазерном легировании смесью порошков Cr, Mo, А1 и (ИНг^СО, также смесью порошков А1 и (NHj^CO.

2. Провести анализ влияния воздействия параметров лазерной обработки на микроструктуру, коррозионную стойкость и физико-механических свойства исследуемых сталей.

3. Расчеты фактических значений температурных полей и глубин проникновения лазерного воздействия в сталях при лазерной обработке произведены с помощью компьютерного моделирования в среде COMSOL 3.5а, произвести.

4. Разработать программное обеспечение для оценки значений микротвердости с помощью цифровой обработки изображений в среде Lab View 7.0.

5. Разработать и внедрить технологический процесс обработки излучением СО^-лазера сталей марок 03X21H32M3B, 12Х18Н10Т, 38Х2МЮА, 08Х14Н5М2ДЛ, 38ХЮМФА, 38Х2Н2МА при лазерной закалке и стали 38Х2МЮА при лазерном легировании смесями порошков Сг, Mo, А1 и (NH2)2CO и А1 и (NH2)2CO.

Научная новизна диссертации состоит:

1. В установлении влияния параметров лазерной обработки, определяющие лазерное термическое упрочнение и легирование, на микроструктуру и свойства исследуемых сталей.

2. В установлении закономерности изменения физико-механических свойств после лазерной термообработки сталей марки 03X21H32M3B, 12Х18Н10Т. 38Х2МЮА, 08Х14Н5М2ДЛ, Э8ХНЗМФА, 38Х2Н2МА и стали 38Х2МЮА при лазерном легировании смесями порошков Cr, Mo, А1 и (NH2)2CO и А1 и (NH2)2CO.

3. В исследовании эффективности влияния лазерной термообработки сталей ОЗХ21Ю2МЗБ, 12Х18Н10Т, 38Х2МЮА, 08Х14Н5М2ДЛ, З8ХНЗМФА, 38Х2Н2МА и лазерного легирования стали 38Х2МЮА на их износостойкость и коррозионную стойкость.

4. В определении максимальных температур на границах образующихся зон лазерного термического влияния, а также в определении коэффициента поглощения лазерного излучения поверхности сталей при исследуемых режимах лазерной обработки.

Практическая значимость данной работы заключается:

- в разработке и обосновании промышленной технологии лазерной термической обработки и лазерного легирования деталей энергетического машиностроения.

- в разработке программного обеспечения, для определения микротвердости сталей.

- в апробации технологии на ООО «Гидротермаль» и ОАО «Инженерный центр» при изготовлении и обработке деталей типа штуцеров, фланцев, втулок и поворотных клапанов, подтверждённой техническим эффектам — Акты предприятий.

- во внедрении результатов работы в учебный процесс на кафедре «Материаловедение и технология новых материалов» НГТУ им. P.E. Алексеева в дисциплинах «Теория, технология и оборудование высокоэнергетических методов обработки материалов», «Технология высокоэнергетических методов обработки материалов», «Теория термической и химико-термической обработки» и «Физические основы лазерного термоупрочнения, наплавки, резки».

Предмет исследования - микроструктура, механические свойства, износостойкость и коррозионная стойкость изделий энергетического машиностроения.

Объект исследования - элементы конструкции энергетических установок типа штуцер, фланец, втулка, поворотный клапан и др., изготавливаемые из сталей марок ОЗХ21Ю2МЗБ, 12Х18Н10Т, 38Х2МЮА 08Х14Н5М2ДЛ, 38ХНЭМФА, 38Х2Н2МА.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Результаты исследования влияния структуры и свойств поверхности сталей ОЗХ21Ю2МЗБ и 12Х18Н10Т на их коррозионную стойкость.

2. Закономерности формирования микроструктуры в зоне лазерного облучения высоколегированных аустенитных, аустенитно-мартенситной, ферритно-перлитной и мартенситных сталей.

3. Результаты экспериментальных исследований износостойкости сталей ОЗХ21НЭ2МЗБ, 12Х18Н10Т, 38Х2МЮА, 08Х14Н5М2ДЛ, 38ХЮМФА, 38Х2Н2МА после лазерной термообработки и лазерного легирования стали 38Х2МЮА различными видами легирующих обмазок и сравнительная оценка их эффективности.

Личный вклад автора состоит в выборе направления научно-технологического исследования, определении целей исследований, анализе литературных источников, осуществлении экспериментов и интерпретации полученных результатов, проведение металлографических, физико-механических и других исследований. Автор провел обработку натурных изделий по разработанным технологиям, которые прошли испытания с положительным результатом на ООО «Гидротермаль» и ОАО «Инженерный центр».

Достоверность полученных результатов подтверждается корректностью определения решаемых задач и их физической и металловедческой аргументированностью, большим количеством экспериментов и экспериментальных данных и положительными результатами внедрения результатов исследований.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: VII Международная молодежная НТК «Будущее технической науки» Н. Новгород, НГТУ, 2008 г; 14-я Нижегородская сессия молодых ученых, технические науки, 2009г; III Всероссийский смотр научных и творческих работ иностранных студентов и аспирантов, Томск, I IIV, 2009г; XVI Нижегородская сессия молодых ученых, технические науки, 2011г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ, в том числе из списка рекомендуемых изданий ВАК, а также имеется 2 патента и регистрация программного обеспечения.

Объем и структура работы. Работа состоит из введения и пяти глав, библиографического списка из 83 наименований и приложений на 46 страницах. Диссертация изложена на 195 страницах, текст содержит 58 таблиц и 84 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приводятся литературные данные о применении лазерной технологии в энергетическом машиностроении. Представлены физические и термодинамические аспекты влияния технологических параметров высококонцентрированной энергии лазерного излучения на фазовые превращения, формирование структуры и свойств термических обработанных сталей различных классов. В результате проведенного анализа литературных источников установлено, что данные о влиянии энергетических параметров при лазерном термоупрочнении и лазерном легировании на процессы формирования структуры у сталей, применяемых в особых условиях энергетического машиностроения недостаточно полные.

Материалы обобщены и на основании выявленных недостатков сформулированы цель, задачи и программа работы.

Во второй главе представлена методика исследования, содержащая материалы, режимы лазерной обработки, описание лазерной установки «Латус-31» на базе компактного молекулярного С02-лазера «Карат»; оптическая микроскопия с применением цифрового фотографирования, на микроскопе KEYENCE VHX-1000 и на растровом электронном микроскопе JCM-5700; измерение микротвердости на приборе ПМТ-3; испытание на износостойкость на установке ЭХО-1; для рентгеноструктурного анализа использовалась установка ДРОН-2; испытание на склонность к межкристаллитной коррозии производилось по ГОСТ 6032-2003 методом Б; аналитические методы: статистическая обработка экспериментальных

данных (оценка точности измерений, регрессионный анализ) с использованием Ехе12010, Оп§тРго 8.

Для сопоставимости энерговклада режимы лазерного воздействия определялись путем расчета фактической плотности мощности лазерного излучения на обрабатываемой поверхности, создаваемой за счет фокусировки лазерного луча, что позволяет производить выбор в каждом конкретном случае оптимальных технологических параметров лазерной обработки и обеспечивает возможность производимости лазерной обработки различных по размерам и форме конкретных изделий.

Параметры термической, лазерной обработки и исходная микроструктура'образцов представлены в приложении 25.

В третьей главе приведены результаты исследований лазерной термической обработки сталей ОЗХ21Ю2МЗБ, 12Х18Н10Т, 38Х2МЮА, 08Х14Н5М2ДЛ, 38ХНЭМФА, 38Х2Н2МА и лазерного легирования стали 38Х2МЮА смесями порошков Сг, Мо, А1 и (МН2)2СО и А1 и (ЫН2)2СО, выразившиеся в следующем:

Для стали ОЗХ21НЭ2МЗБ установлено:

В поверхностном слое выявляются три зоны: оплавление, переходная и основной металл; переходная зона выявляется только при измерении микротвердости; микроструктура в зоне оплавления имеет столбчатое строение, направление роста кристаллитов наследуется из бывших зерен, дисперсность структуры повышается по мере приближения к поверхности ванны расплава; на дисперсность структуры влияют изменение скорости отвода тепла из расплавленной ванны и изменение степени переохлаждения жидкого металла ванны (приложение 1 а, б); на поверхности стали обнаружены карбиды типа МеС -НС и интерметаллиды у'-фаза №3(П), РеСг и карбиды типа (Сг, Мо, "П)СХ; сопротивление износу увеличилось на 10%; следы МКК в микроструктуре после ЛТО не обнаружены. Результаты измерения микротвердости приведены в приложении 2.

Для стали 12Х18Н10Т установлено:

ЛТО оказывает комплексное влияние, которое приводит к испарению поверхностной области, оплавлению, а также повышению склонности переходной зоны с основным металлом к межкристаллитной коррозии; зона оплавления имеет ячеистую, равноосную, дендритную структуру, характерную для случаев медленного охлаждения. Зародыши образуются по всему объему расплава, направление их роста ориентировано в направлении вывших зерен аустенита (см. приложение 3 а, б); зона термического влияния имеет повышенную склонность к межкристаллитной коррозии, это связанно с выделением карбидов хрома по границам зерен. Поскольку при ЛТО происходит смещение критических точек в область более высоких температур, в зоне термического влияния выделение карбидов может произойти при температурах 900-1200 °С. При испытании на стойкость к межкристаллитной коррозии, обнаружены следы МКК в зоне лазерного термического влияния; при использованных режимах ЛТО наблюдается

образование новых фаз типа интерметаллида на основе №з"П с ГЦК решеткой способна деформироваться (охрупшивающая фаза) и карбиды (Сг, "П)СХ; в зоне, где произошло оплавление, значение микротвердости понизилось, (см. приложение 4). Это, по-видимому, связано с образованием у'-фазы с решеткой ГЦК, обладающей пониженным сопротивлением; износостойкость повышается на 10-30%. Вероятно, это связано с тем, что при лазерной обработке в структуре выделились интерметаллидные и карбидные фазы

Для стали 38Х2МЮА установлено:

В поверхностном слое выявляются три слоя: зона оплавления — образуется в результате закалки из жидкого состояния, имеет мартенситную структуру дендритного строения, с зернами вытянутыми- в направлении теплоотвода, размер зерен уменьшается по мере их приближения к поверхности; зона термического влияния - имеет мартенситную структуру, которая получена закалкой из твердой фазы; переходная зона — зона отпуска (см. приложение 5); в зоне оплавления образовались карбиды Сг и Мо, а также, интерметаллиды СггА1, РезА1 и БеМо; в зоне оплавлении значение микротвердости повысилось, вероятно, это связано с измельчением формирующихся зерен и с последовательным образованием мелкозернистой мартенситной структуры, образованием высокодисперсных частиц карбидов, что установлено при рентгенографическом фазовом анализе. Существенное влияние оказывают и внутренние напряжения, возникающие во время ЛТО; в целом, в зоне лазерного термического влияния, произошло упрочнение в следствии закалки с образованием мартенсита игольчатого строения (см. приложение 6); выявленная разница микротвердости связана с тем, что при третьем режиме из-за высокого энерговклада зона расплава при затвердевании претерпевала влияние высоких температур из соседних более глубоких участков, которая и создавала условия для торможения процесса мартенситного превращения, что и приводит к снижению твердости; при большей плотности мощности лазерного излучения антифрикционные свойства обрабатываемых участков понижается. Вероятно, это связано с образованием меньшего количества карбидов, а также, из-за частичного разупрочнения сплава во время ЛТО (см. приложение 7).

Для стали 08Х14Н5М2ДЛ установлено:

При всех режимах ЛТО произошло оплавление поверхности стали; зоны оплавления представляют собой аустенитно-мартенситную микроструктуру дендритного строения. При первом режиме ЛТО произошло глубокое оплавление до 0,35мм. В микроструктуре стали между оплавленной зоной и зоной термического влияния выявлены включения 5-феррита (см. приложение 8); по мере уменьшения плотности мощности происходит незначительное разупрочнение по сравнению с основным металлом. В приложении 9 приведены результаты измерения микротвердости; снижение значения микротвердости в зоне лазерной термической обработки связано с увеличением количества остаточного аустенита и 5-феррита.

Значения коэффициента эффективности лазерной термической обработки «К» показаны в приложении 10.

Для стали 38ХНЭМФА установлено:

В поверхностном слое выявляются три зоны: 1- зона оплавления металла, имеющая мелко-дендритную структуру, ориентированную в направлении теплоотвода. Измельчение зерна и высокие значения микротвердости обусловлены высокими скоростями нагрева, аустенитизации, и охлаждения, при которых формируется высокодисперсные структуры (см. приложение 11); 2- переходная зона, являющаяся зоной эффективного термического влияния вследствие лазерного нагрева на исходную структуру стали. В верхней части слоя выявляется игольчатая структура, тогда как в нижней имеется мелкозернистая структура. Это связано с тем, что температура нагрева в этих участках была различной, что влияет на уровень микротвердости стали; 3- переходная зона, где воздействие лазерной обработки на структуру металла визуально не обнаруживается. Эта зона выявляется только по значениям микротвердости (см. приложение 12); есть соотношение между микротвердостью и износостойкостью стали после лазерной обработки; самые высокие значения износостойкости находятся на определённой глубине лазерной дорожки. Объяснение повышенной износостойкости под поверхностью в зоне ЛТО связано с количеством и большей дисперсностью структуры карбидных фаз. Наименьшее количество карбидов в зоне оплавления связано с растворением их из-за высоких температур, испытывающих в зоне расплава (см. приложение 13).

Для стали 38Х2Н2МА установлено:

Микроструктуры зон оплавления и эффективного термического влияния, имеют аналогичное строение, как и микроструктуры, формирующиеся в зоне облучения стали 38ХШМФА; различие значений микротвердости связано с тем, что энерговклад при меньших скоростях перемещения образцов был более высоким и помимо измельчения зерен аустенита и карбидных фаз происходило перераспределение карбидов вследствие конвективных потоков в зоне расплавления стали (см. приложение 14); самая устойчивая зона при истирании находится под поверхностью лазерной дорожки. Вероятно это связано с тем, что при ЛТО произошло измельчение карбидных фаз и упрочнение при мартенситном превращении. Повышение антифрикционных свойств во внутренних слоях благоприятно в тех случаях, когда необходимо изготавливать детали с внутренними закреплениями, которые претерпевают большой износ (см. приложение 15).

Для лазерного легирования стали марки 38Х2МЮА смесью порошков Сг, Мо, А1 и (ТЧН2)2СО установлено:

Что, при 1-м режиме в расплавленном участке имеется ячеистая структура с зернами вытянутой формы в направлении поверхности вблизи зоны термического влияния (см. приложение 16); интерметаллидные фазы у'

(Бе, А13) и сложные комплексные карбиды типа (Ее, А1)ХСУ, где атомы железа замещаются атомами алюминия, карбиды хрома, а также вероятно образование нитридов типа (Ре, Сг^Ы и интерметаллиды (Ре)хМо; при 2-м и 3-м режимах образуется микроструктура с крупным столбчатым дендритным строением. Распределение микротвердости по глубине обрабатываемых зон приведено в приложении 17. Значения коэффициента эффективности лазерного легирования «К» показаны в приложении 18.

Таблица 1 — Результаты лазерного легирования

Глубина зоны Микротвердость Коэффициент Глубина

Режим легирования, легированной эффективности зоны

мм зоны лазерного термического

НУ, МПа легирования К влияния, мм

1 0.23 6298 8.9 0.81

2 0.11 6566 9.5 0.40

3 0.17 6298 6.5 0.21

Для лазерного легирования стали марки 38Х2МЮА смесью порошков А1 и (N112)200 установлено:

Легированные зоны имеют тонкий слой дендритного строения. Этот слой, обогащённый алюминием и, вероятно, нитридом алюминия (см. приложение 19). Распределение микротвердости по глубине обрабатываемых зон приведено в приложении 20; самые большие значения износостойкости появились не на поверхности, а в некоторой глубине под ней (см. приложение 21). Это, возможно, связано с диффузией азота в внутренние слои обрабатываемой зоны и образованием нитридов алюминия; при фазовом анализе а также были обнаружены карбид типа (Ре, А1)хСу, а — фаза (мартенсит легированный с примесями А1 и Сг) и остаточный аустенит.

Таблица 2 — Результаты лазерного легирования

Режим Глубина Микро- Коэффициент Глубина Коэффициент

зоны твердость эффективности зоны эффективности

легирования, легированной лазерного термичес- лазерного

мм зоны, легирования К кого легирования К

НУ, в зоне влияния, в зоне

МПа легирования мм термического

влияния

1 0.19 6337 2.7 0.81 2.8

2 0.09 7102 2.1 0.40 2.8

3 0.06 7161 2.6 0.21 3.6

Изучено поведение предельной удельной энергии деформации \УС сталей прп лазерной термической обработке

Построена новая зависимость предельной удельной энергии деформации W(; от пропорционального показателя твердости Нц структурно-энергетического состояния Пос для сталей аустенитного, ферритно-перлитного и аустенитно-мартенситного типов. Механические свойства стали приведены в таблице 15.

2 \-у/

10

где

ат - предел текучести; а, - предел прочности; 8 - относительное удлинение;

- относительное сужение; Нц - микротвердость.

Как видно из приложения 22-а, предельная удельная энергия деформации Wc имеет прямолинейную (пропорциональную) зависимость от твердости в исходном состоянии, после же лазерной обработки такая зависимость не сохраняется (см. приложение 22-6).

Таблица 3 - Механические свойства и энергоёмкость \УС сталей. Режимы

ТТТЛ Т1Г— 1 П ■Л ^ 1 /л4 Т1 _ /___2

№ Марка стали НВ, От, а». 6, V. Нц после ЛТО,

МПа МПа МПа % % МПа

1 03Х21Н32МЭБ 172 220 550 35 65 741 2170

2 12Х18Н10Т 179 196 510 40 55 828 2147

3 38Х2МЮА 250 880 1030 18 52 2012 7102

4 38Х2Н2МА 277 735 880 13 40 2162 5611

5 38ХЮМФА 293 785 930 10 35 2585 5611

6 08Х14Н5М2ДЛ 376 900 1200 12 35 3209 3879

Зависимость износостойкости от градиента неравномерности микротвердости при ЯГО недотаточно освещена. Неравномерность микротвердости может быть вычислена по формуле:

НУ

нв

(2)

где

НУ - значение микротвердости поверности зоны НТО; НВ — твердость основного металла.

При известной глубине обработиваемого участка можно рассчитать градиент неравномерности микротвердости на базе л6 по формуле:

Гн — —^ (3)

7 Л6

где

Лб — база (глубина обрабатываемой зоны).

Расчеты, представление на таблице 4, были сделаны для режимов ЛТО, при которых получены максимальные значения микротвердости и износостойкости.

Таблица 4 - Расчеты градиента неравномерности микротвердости на

тт «мпа» ТГГГ* 117— 1 Г>—/___2

Марка стали Нтв лд, мм Гн/л, мм"1

0ЭХ21Н32МЗБ 1.29 0.19 6.7

12Х18Н10Т 1.22 0.15 8.2

38Х2МЮА 3.53 0.13 27.2

Продолжение таблицы 4

Марка стали Нтв л6, мм Гн/л, ММ 1

38Х2Н2МА 2.90 0.15 19.4

38ХНЗМФА 2.44 0.19 12.8

08Х14Н5М2ДЛ 1,22 0.35 3.5

В приложении 23 представлены градиенты неравномерности микротвердости исследуемых сталей.

Исходя из расчетов можно сказать, что относительная износостойкость получена при ЛТО является функцией твердости сплава и градиента твердости, т.е. тем больше градиент твердости, чем больше износостойкость (см. приложение 24).

Износостойкость = ((»(твердость основы + Гн/Л) (4)

.Компьютерное моделирование распределения температуры по глубине обрабатываемого участка

Компьютерное моделирование ЛТО является только приближением к реальному процессу. [Математическая модель не учитывает влияние конвекционного механизма перемешивания, который вносит существенный вклад в общий механизм формирования микроструктуры при лазерной обработке, фазовые и структурные превращения в стали, образование новых химических соединений (оксиды, карбиды), в результате образования которых выделяется дополнительное (к теплоте за счет лазерного источника) количество теплоты, способствующее увеличению температуры в зоне обработки]. Однако результаты реального процесса ЛТО и результаты расчета очень близкие. Компьютерное моделирование в среде СОМБОЬ МиШрИузюБ 3.5. позволило произвести расчеты распределения температуры внутри образца в зависимости от координат и времени, определить наличие оплавления на поверхности и глубину зоны термического влияния, и сделать вывод о возможности процесса лазерного термического упрочнения, легирования и подобрать оптимальные параметры лазерной об!работки для их достижения. С помощью компьютерного моделирования были сделаны расчеты для определения коэффициента поглощения энергии лазерного излучения «А» сплава, пиков температуры, достигнутой на поверхности и в границах зон термического влияния при ЛТО, а также учесть следующие параметры воздействия лазерного излучения в исследованных сталях.

Тмах. - промежуток времени, при котором достигается максимальное значение температуры на поверхности стали при ЛТО;

Топл. - промежуток времени, при котором наблюдается жидкое состояние стали на обрабатываемой поверхности при ЛТО;

Туп, - промежуток времени, при котором происходит эффективное воздействие лазерного излучения в зоне термического влияния при ЛТО.

Для компьютерного моделирования распределения температуры по глубине, использовались следующие математические выражения:

ч{у) =

якф

е^ [Вт/м'],

т = Ч*1,

V

к

а =-,

А= 1-Я,

(5)

(6)

(7)

(8)

где

q(y) - плотность светового потока на расстоянии «у» от поверхности металла;

qo— плотность потока мощности;

т - эффективное время воздействия;

а - коэффициент температуропроводимости;

А - коэффициент поглощения;

Я - коэффициент отражения материала;

к — теплопроводимость;

Ь - толщина обрабатываемого образца;

р — плотность;

Ср - теплоемкость;

V — скорость перемещения лазерного луча; т — эффективное время воздействия лазерного излучения; 0 - диаметр лазерного пятна. В качестве примера представлено компьютерное моделирование и расчеты полученные для лазерного термического процесса обработки стали 38ХГОМФА.

Таблица 5 — Параметры компьютерного моделирования ЛТО и его

Режим ЛТО т, Ьзо, Ьт,, А, °Т 1 иах °Т 1 мах. °Т * ЫИН ^мах.. хЮ ^ОПЛ., хЮ Хэтв- хЮ"2

Чо, V, 0, с хЮ-4 хЮ"4 % опл.» ЗТВ) зп>

х10 х103, х103, м м "С "С °с с с с

Вт/см2 м/с м

2.2 20 1.97 0.10 1.37 6.83 82 1832 1640 765 8.0 3.4 12.7

1.7 10 2.51 0.22 1.89 9.00 89 1978 1666 774 18.9 1.1 27.0

1.1 5 2.75 0.55 2.08 1.03 91 2188 1662 770 54.1 43.2 66.4

Результаты * расчетов компьютерного моделирования соответствуют результатам аналогичных расчетов, полученных авторами других работ.

В четвертой главе разработано программное обеспечение для определения микротвёрдости материалов.

Разработка данного программного обеспечения осуществлялась в языке в в среде графического программирования ЬаЬУхечу 7.0 и основана на технологии цифровой обработки изображений.

Программа выполняет следующие функции:

Открывает фотографию, на которой имеются отпечатки индентора микротвердомера; производит фильтрацию и бинаризацию изображения; отделяет изображения отпечатков от других участков, с целью упрощения формы и структуры отпечатков; в зависимости от масштабного множителя определяет величину микротвёрдости для каждого отпечатка.

Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011619460.

Пятая глава посвящена разработке технологии и внедрению процессов лазерной обработки и лазерного легирования на промышленных предприятиях региона. Произведённые в производственных условиях, испытания показали увеличение износостойкости деталей из сталей энергетического машиностроения в 1.4 - 2.5 раз. Акты производственных испытаний прилагаются в диссертации.

Рекомендуемые режимы лазерной обработки приведены в приложении 26.

Общие выводы

1. В работе решена актуальная научная техническая задача по установлению влияния параметров лазерной обработки и легирования на структуру и свойства высоколегированных конструкционных сталей: 12Х18Н10Т, 38Х2МЮА, 08Х14Н5М2ДЛ, 38ХНЭМФА, 38Х2Н2МА, 38Х2МЮА с повышенными требованиями по работоспособности и надежности для изделий энергетического машиностроения, за счет повышения коррозионной стойкости, износостойкости поверхностей.

2. Установлена зависимость глубины зоны при термическом упрочнении и легировании от скорости перемещения образцов и мощности лазерной энергии в исследованных марках сталей, в результате чего выявлен ряд закономерностей: с увеличением скорости перемещения образца, глубина оплавленной и легированной зоны уменьшается; при увеличении мощности лазерного излучения, глубина зоны обработки возрастает; глубина оплавленной и легированной части зоны обработки у исследованных марок стали различна и достигают до 0.23 мм.

3. Установлена зависимость глубины слоя легирования от скорости обработки на примере стали 38Х2МЮА. При исследовании выявлено, что повышение скорости от 5 мм/с до 20 мм/с приводит к уменьшению размеров ванны легирования в 2 раза, при этом в структуре происходят существенные изменения формы кристаллитов, что оказывает значительное влияние на износостойкости стали.

4. Разработана математическая модель процесса лазерной обработки, позволяющая прогнозировать результаты действия данного процесса на расчетную глубину оплавления и расчетное распределение температуры в зоне термического влияния.

5. Износостойкость низкоуглеродистых сталей 03Х21Н32МЗБ и 12Х18Н10Т, имеющих в исходной структуре аустенишую фазу, повышается на 10 - 30 %. Повышение износостойкости поверхности среднелегированных

конструкционных сталей 38Х2МЮА, 38Х2Н2МА и 38ХШМФА составляет до 50 %, а подповерхностного слоя сталей 38Х2Н2МА и 38ХШМФА 1.02.0 раза. У стали переходного аустенитно-мартенситного класса 08Х14Н5М2ДЛ повышение износостойкости составляет 1.5 - 2.0 раза.

6. Износостойкость стали 38X2 MIO А после лазерного легирования смесью порошков увеличивается, причем смесь Сг-Мо-А1-(МНг)2СО, обеспечивает повышение сопротивления поверхности на износ в 6.5 - 9.5 раз, а смесь Al-(NH2)2CO увеличивается в 2.86 - 3.58 раза в подповерхностном слое.

7. Установлено, что при JITO сталей 03X21H32M3B и 12Х18Н10Т поверхностные слои оплавленного металла не склонны к межкристаллитной коррозии.

8. Установлено, что предельная удельная энергия деформации Wc после лазерной обработки не сохраняет пропорциональную зависимость от твердости как это наблюдается в исходном состоянии сталей. Это также подтверждает, что относительная износостойкость сталей, определенная после ЛТО, является функцией и твердости сплава и градиента твердости поверхностных слоев.

10. Разработано программное обеспечение "Программа измерения микротвёрдости", позволяющее определять значения микротвердости материала, это позволяет сокращать время и трудовую затрату на осуществление данного измерения.

11. Разработаны и апробированы на ООО «Гидротермаль» и ОАО «Инженерный центр» промышленные технологии лазерного термического упрочнения и лазерного легирования для деталей типа штуцеров, фланцев, втулок и поворотных клапанов из сталей широко применяемых в энергетическом машиностроении, что подтверждено соответствующими актами. Результаты работы внедрены в учебный процесс на кафедре «Материаловедение и технология новых материалов» Hl ТУ им. P.E. Алексеева в дисциплинах «Теория, технология и оборудование высокоэнергетических методов обработки материалов», «Технология высокоэнергетических методов обработки материалов», «Теория термической и химико-термической обработки» и «Физические основы лазерного термоупрочнения, наплавки, резки».

Основные публикации по теме диссертации

Публикации в рецензируемых научных журналах

1. Кастро, В.А. Особенности формирования структуры сталей при лазерном термическом цикле / В.А. Кастро, Г.Н. Гаврилов, И. Брауэр, Е.С. Беляев // Заготовительные производства в машиностроении. - 2011. - № 12. — С. 38-41.

. Патенты в свидетельства

2. Кастро, В.А. Лазерная установка для обработки внутренней поверхности изделий / Г.Н. Гаврилов, Ю.Н. Вавилов, Н.В. Успехова, И.С.

15

Левочкин, Е.С. Беляев, В.А. Кастро // Патент RU 90792 C21D 1/09. 2009133811/22; заявл. 08.09.2009; опубл. 20.01.2010.Бюл. № 2.

3. Кастро, В.А. Лазерная установка для обработки внутренней поверхности изделий / Г.Н. Гаврилов, В.А. Кастро, Ю.Н. Вавилов. // Патент RU 79286 C21D 1/09. 2008131258/22; заявл. 29.07.2008; опубл. 27.12. 2008.

4. Программа измерения микротвердости / В.А. Кастро, Г.Н. Гаврилов, С.В. Костромин, В.А. Хренов, Е.С. Беляев // Свидетельство о госуд. регистрации программы для ЭВМ. - № 2011619460; заявл. 18.10.211; опубл. 14.12.2011.

Публикации в других изданиях

5. Кастро, В.А. Лазерное упрочнение и повышение износостойкости конструкционной стали / В.А. Кастро, М.Ю. Попков, Г.Н. Гаврилов // Будущее технической науки: тез. докл. X Междунар. молодежной науч.-техн. конф. - Н.Новгород: НГТУ, 2011 г. - С. 239-240.

6. Кастро, В.А. Влияние импульсного прессования на композицию железа с нанопорошками вольфрама / В.А. Кастро, Г.Н. Гаврилов, А.В. Терентьев // Будущее технической науки: тез. докл. X Междунар. молодежной науч.-техн. конф. - Н.Новгород: НГТУ, 2011 г. - С. 246-247.

7. Кастро, В.А. Способ устранения 8-феррита в высоколегированной стали 13X15H4AM3 с применением лазерной обработки / В.А. Кастро // XIV Нижегород. сессия молодых учёных. Технические науки: тез. докл. - Н. Новгород, 2009 г. - С. 64-65.

8. Кастро, В.А. Исследование микроструктуры и свойств стали 13X15H4AM3 после лазерной термической обработки / В.А. Кастро // Ш Всероссийский смотр научных и творческих работ иностранных студентов и аспирантов: тез. докладов. -Томск: ПТУ, 2009г. - С. 87-92.

9. Кастро, В.А. Исследование и разработка высокоэффективных технологий термического упрочнения высоколегированных конструкционных сталей / В.А. Кастро, И. Брауэр // Будущее технической науки: тез. докл. VII Междунар. молодежной науч.-техн. конф. - Н.Новгород: НГТУ, 2008 г. - С. 180-182.

10. Кастро, В.А. Исследование микроструктуры и свойств мартенситно-стареющей стали 06Х16Н4Д2МБТ после лазерной термической обработки / В.А. Кастро, У. Бернерс // Будущее технической науки: тез. докл. Vn Междунар. молодежной науч.-техн. конф. - Н.Новгород: НГТУ, 2008 г. - С. 182-183.

Приложения

'Jona

оплавления

Зона термического влияния

Приложение 1- Микроструктура стали 03Х21Н32МЭБ после ЛТО.

О <Ц 0.4 0,6 0,8 __ 1

I -«-Режим ЛТО: 1,5x10-м Вт/см"2; У=20 мм/с Глуовна'ш

2-в-РежимЛТО: 2,0x10- 4 Вт/см "2; У=20 мм/с

3-»-Режим ЛТО: 2,5x10- 4 Вт/см-"2; У=20 мм/с

Приложение 2 - Распределение микротвердости в стали ОЗХ21НЭ2МЗБ по глубине зоны лазерного воздействия.

Приложение 5

Микроструктура стали 38Х2МЮА после лазерной термической обработки при режиме 1.5х104 Вт/см2, У=20 мм/с

Поверхность оплавленной зоны

■Jomi 'jfcuiri полной Jona неполной

а) б)

Приложение 3 а) - микроструктура стали 12Х18Н10Т после лазерной термической обработки, б) - микроструктура поверхности лазерной ванны.

SJfÄUMl ГЦ [{XIH.Ilh.'

у 2100 - 1900 J

Глубина, мм

1 -»-Режим ЛТО: 1.5x10 4 Вт/см-2: V=20 мм/с

2 -«-Режим ЛТО: 2.0x10Л4 Вт/смл2; \-20 мм/с

3 тк-Режим ЛТО: 2:6х10 4 Вт/смА2; V'=20 мм/с

ion а ОНЛЙИЛС!

Зон»

тер« ическо «лпчиия

Приложение 4 - Распределение микротвердости в стали 12Х18Н10Т по глубине зоны лазерного воздействия.

8000 т | 6000

>" 4000 -

«-Режим ЛТО: 1.5x10 '4 Вт'смя2: \»-20 »м/с

Глубина, мм

»-Режим ЛТО: 1.8х10А4 Вт/см 2 »-Режим ЛТО: 2,3x10*4 Вт/см -:

\'=20 мм/с У-20 мм/с

1-4 1,6

| | 1,9

Ш ^ 0,4

II

120 Врем

Приложение 6 - Зависимости микротвердости стали 38Х2МЮА от глубины лазерного воздействия.

[ -»-Режим ЛТО: 1.5х10~4 Вт/см' 2. V-20 мм- с

2-а-Рсжнм ЛТО: 1,8x10 4 Вт'смА2, >/=20 мм/с

3-*п-Режнм ЛТО: 2.3х10ч4 Вт/см 2^=20 мм/с

Приложение 7 - Зависимость коэффициентов эффективности

лазерной термообработки «К» стали 38Х2МЮА от времени скольжения при разных режимах излучения.

Приложение 8 - Микроструктура стали марки 08Х14Н5М2ДЛ после лазерной термообработки при режиме 2.5х104 Вт/см2, У=20 мм/с

4200

>"3000 | з 1у 2600 -I .......-г------------------ **.........................>.....-

О 02 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1 ч-РетимЛГО: 2.5x104 Вт/см-'2; \'=20 мм/с Глуовва, мм

2-»Режим ЛТО: 2^0х№'-4 Вт/смл2; \'=20 мм/'с

3-*-Режим ЛТО: 1.7x104 Вт/см'2: У=20 мм/с

Приложение 9 - Зависимость микротвердости стали 08Х14Н5М2ДЛ от глубины лазерного воздействия при разных режимах.

II

III ■

О 30 60 90 120

1 —Режим ЛТО: 2,5x10- 4 Вт/см- 2; \'=20 мм/с Время, мин

2 —Режим ЛТО: 2.0x10А4 Вт/смА2: \ -20 мм-с

3 —Режим ЛТО: 1.7x10*'4 Вт/см- 2; У=20 мм-'с

Приложение 10 - Зависимость коэффициента эффективности

лазерной термообработки «К» стали 08Х14Н5М2ДЛ от времени

испытания при разных режимах излучения.

Зона овяавясшм

Зона термического

И.1ИЯНЯ8

^тлни.юния

Переходная кжа: 3*жа оплавления-КШП ВЛП»?5ШЛ

Зона гер«и'НХ'К<м о

слияния

Приложение 11 Микроструктура стали Э8ХНЗМФА после лазерной термической обработки 2.2х104 Вт/см2, У=20 мм/с.

Зона инллн.'Юни» Зона термического

H l ИНН ия

Основной

MC1.1.LI

Зона Зона üo inoii Зона неполной ou.iiiHicHnji Я1ка Ikil MKU-JKH

7000 = 6000 S 5000 -4000 ■ 3000

u-y

0.25 0.5 0.75

1-»-Режим ЛТО: 2.2x10*4 Bt'oß: V=20 ммс

2-в-Режнм ЛТО: 1,3х10л4 Вт cü2; V-15 ш

3-»-Режим ЛТО: 1,"х10ЧВт/см2: V=10 ммс

4-•-Режим ЯГО: 1.1х10"4 Вх'ой; V=5 ittt'c

1 1.25 1.5 Глубина, мм

Приложение 12 - Зависимость микротвердости стали 38ХНЭМФА от глубины лазерного воздействия при разных режимах.

Ё 3000

0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1 -»-Режим ЛТО: 1,Sx11>4Bxcjj2; V=20 mm

2-»-Режим ЛТО: 1.3х10'4 Вт.'смЗ: \fel5 мм

3-»-Режим ЛТО: Ux10'4Bt/cm2: V»10 мм 4 -«-Режим .ТГО: 1г3х10"4 Вкм2; V=5 мм

1.5 1.75 2 Глубина, мм

Приложение 14 - Зависимость микротвердости стали 38Х2Н2МА от глубины лазерного воздействия при разных режимах.

1-»-Режим ЛТО: 2,2x10 -4 Вт/см'-2 и V=20 ми/о

2-^Рсжнм ЛТО: 1.3x10*4 Вт/см 2 и V=15mmc 5-^Режнм ЛТО: 1.7x10*4 Вт/см '2 н V=10 мм/с 4-»-Реж1ш ЛТО: 1.1x10*4 Вт/с.ч'-2 и V=5 мм/с

Приложение 13 - Зависимости коэффициентов эффективности

лазерной термообработки «К» стали 38ХНЭМФА от времени при разных режимах излучения. й з

Iii" HI 2 f

Hi1" ¿t 1 1 " г o,5

30

45

60

75 „ 90 Время, мин 1 -»-Режим ЛТО: 1.8x10- 4 Вт/см"2 и У-20 мм/с

2-»-Режим ДТО: 1.3x10 4 Вт/см"2 и У-15 мм'с

3-»-Режим ЛТО: 1.5x10*4 Вт/см- 2 и \'=10 мм/с

4-»-Режим ЛТО: 1.3x10'4 Вт/см- 2 и У=5 мм/с

Приложение 15 - Зависимости коэффициентов эффективности

лазерной термообработки «К» стали 38Х2Н2МА от времени скольжения при разных режимах излучения.

Млкросфуктурз измы k:i ироваиия

Микроструюура -SOHW (ермнческот К.И1ЯН11Я

Приложение 16 - Микроструктура зоны лазерного легирования стали марки 38Х2МЮА смесью порошков Сг, Мо, А1 и (МЩгСО при режиме "\У=3.8 хЮ4 Вт/см2, У= 5 мм/с.

О 0,25 0,5 0,75 1 1,25

1 -»-Режим ЛО: 1,0х10л4 Вг,'см2, \'=5мм.'с Глуби

2 -»-Режим ЛО: 1,0хЮ"4 Вт/см2, \'=10мм/с

3 »Режим ЛО: 1,0x10'4 Вт/см2, У=15мм/с

Приложение 17 - Распределение микротвердости по глубине лазерного воздействия при разных режимах лазерного легирования стали марки 38Х2МЮА смесью порошков Сг, Мо, А1 и (МН2)2СО.

30 60

Режим ЛО: 3,8x10 4 Вт.'см' 2, У=5.чм/с Режим ЛО: 3,8х10"4 Вт/агЧ, У=10мм/с Режим ЛО: 3.8x10'4 Вт'см'2, V"-15мм/с

90 120

Время, мин

Приложение 18 - Зависимости коэффициента эффективности

лазерного легирования «К» от расстояния скольжения при разных режимах излучения. Сталь 38Х2МЮА, легирована смесью порошков Сг, Мо, А1 и (МН2)2СО.

Микроструктура jülia термического Микроструктура перхнен части тоны влияния нижней час т тоны

-'fei пронация легирования

Приложение 19 - Микроструктура зоны лазерного легирования стали марки 38Х2МЮА смесью порошков А1 и (ЙН2)2СО при режиме '№=3.8 хЮ4 Вт/см2, У= 5 мм/с.

О 0,25 0.5 0,75 1 1,25 1,5

1 -»-Режим ЛО: 1.3х10л4 Вг/см2. \'=5мм/с Глубина мм

2 -»-Режим ЛО: 1.5x104 Вт/см2, У=10мм/с

3 -»-Режим ЛО: 1.3х10'4 Вт/см2, У=15мм/с

4 -»-Режим ЛО: 1.8х10-М Вт/см2. У=20нм/с

Приложение 20 - Распределение микротвердости по глубине лазерного воздействия при разных режимах лазерного легирования стали марки 38Х2МЮА смесью порошков А1 и (МН2)2СО.

6

3200 2^00 2200

НВ, Ша

а)

1 -»Режим ЛО: 3,8x10 -4 Вт/си"2, У«5 мм/с 2-«-Режим ЛО: 3,8х10"4 Вт/смл2, У=10 мм/с 3 -»-Режим ЛО: 3,8х 10-М Вт.-смл2, \'= 15 мм'с

Приложение 21 - Зависимости коэффициента эффективности лазерного легирования «К» от пути скольжения при разных режимах излучения. Сталь 38Х2МЮА, легирована смесью порошков А1 и (N112)200.

3200 2700 2200

и

^ 1700

1200

3000 -1000

7000 &000

Нц, МП а

б)

Приложение 22 - Зависимости предельной удельной энергии деформации от твердости Нц. а) - значения твердости в исходном состоянии сталей; б) -значения твердости после ЛТО сталей.

Градиент неравномерности твердости

I 15 I

I 5 20 4

|Н

1Г1

I 5 4

3

81 38Х2МЮА £ 2.5

»2 - 38Х2Н2МА 2 2

«3 -ЗЗХНЗМФА С

Л 12Х18Н10Т | 1.5

»5 ОЗХ21Н52МЗБ = 1

»6 08Х14Н5М2ДЛ 0,5

Приложение 23 - градиент неравномерности микротвердости исследуемых сталей после ЛТО.

Зависимость износостойкости от градиента неравномерное!» мнкро I вер.юс ш

4

1-ШХ21Н32МЗЬ

2- 12Х1&Н10Т

3-58ХНЗМФА 4 ■ 35Х2Н2МА

Гримем! жсрамимгриисш }1МКриТ№{)^ОС1В

Приложение 24 - Зависимость износостойкости от градиента неравномерности микротвердости исследуемых сталей после ЛТО.

Приложение 25 - Термическая и лазерная обработка образцов

к>

Исходная Предварительная Вид лазерной Параметры лазерной обработки

структура и марка стали термическая обработки обработки Мощность Р, Вт Диаметр лаз. пятна о, мм Скорость обработки V, мм/с

1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4

Аустенит: 12Х18Н10Т Закалка Термоупрочнение 515 690 730 - 1.7 2.0 22 - 20 20 20 -

0ЭХ21Н32МЗБ Закалка Термоупрочнение 515 690 730 _ 2.0 2.0 2.0 20 20 20 _

Аустенит + мартенсит: 03Х14Н5М2ДЛ Закалка Термоупрочнение 700 700 700 - 1.9 2.1 2.3 - 20 20 20 -

Феррит + перлит: 38Х2МЮА Нормализация Термоупрочнение 515 690 730 - 2.1 2.1 2.1 - 20 20 20 -

Сорбит: 38Х2Н2МА Закалка + отпуск Термоупрочнение 680 630 640 640 22 2.5 2.3 2.5 20 15 10 5

Сорбит 38ХЮМФА Закалка + отпуск Термоупрочнение 680 630 640 640 2.0 2.5 22 2.8 20 15 10 5

Феррит+ перлит: 38Х2МЮА Нормализация Легирование смесью порошков: Сг:50%, А1:312%, №0200:12.5»/., Мо:6.3%. 1000 1000 1000 1000 1.8 1.8 1.8 1.8 5 10 15 20

38Х2МЮА Нормализация Легирование смесью порошков: А1:71.4% и (Шг^СО: 28.6%. 1000 1000 1000 1000 1.8 1.8 1.8 1.8 5 10 15 20

Приложение 26 - Рекомендуемые режимы лазерной обработки

Свойства стали при лазерной обработке

Исходная Параметры лазерной обработки до

структура и Вид лазерной после Микро-

марка стали обработки Мощность Р, Вт Диаметр лаз. ШГГНО 0, мм Скорость обработки V, мм/с Глубина слоя упрочнения, мм Микротвердость Нц. МПа Коэффициент износостойкости К Коррозионно-стойхость структура

Аустенит: 12Х18Н10Т Термоупрочнение 730 1.7 20 0.15 2492 2147 1.00 1.30 Не склонная Прилож. 3 а>б.

ОЗХ21Н32МЗБ Термоупрочнение 690 2.0 20 0.19 1776 2170 1.00 1.10 Не склонная Прилож. 1 а,б.

Аустенит + мартенсит: 03Х14Н5М2ДЛ Термоупрочнение 700 1.9 20 0.35 3912 3902 1.00 2.38 - Прилож. 8

Феррит + перлит: 38Х2МЮА Сорбит: 38Х2Н2МА Термоупрочнение Термоупрочнение 515 640 2.1 2.3 20 20 0.13 0.15 2855 7102 2914 6298 1.00 1.26 1.00 1.50 - Прилож. 5

38ХЮМФА Термоупрочнение 640 2.2 20 0.19 3434 6301 1.00 1.20 - Прилож. 11

Феррит + перлит: 38Х2МЮА 38Х2МЮА Легирование Легирование 1000 1000 1.83 1.83 10 5 0.11 0.19 2336 6566 2336 6337 1.00 4.00 1.00 2.68 - Прилож. 16 Прилож. 19

Подписано в печать 03.07.12. Формат 60 х 84 '/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 422.

Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева. Типография НГТУ. 603950, Нижний Новгород, ул. Минина, 24.

61 12-5/4253

Министерство образования и науки РФ Нижегородский государственный технический университет

им. P.E. Алексеева

На правах рукописи

КАСТРО ВИЛСОН АЛБЕЙРО

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ЛАЗЕРНОГО ТЕРМИЧЕСКОГО УПРОЧНЕНИЯ И ЛЕГИРОВАНИЯ СТАЛЕЙ ДЛЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО РЕСУРСА ИЗДЕЛИЙ

Специальность 05.16.01 - Металловедения и термическая обработка

металлов и сплавов

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., проф. Гаврилов Г.Н.

Нижний Новгород - 2012

Оглавление

Введение.......................................................................................5

Глава 1 Анализ литературных данных по состоянию рассматриваемого

11

вопроса.......................................................................................11

1.1. Существующие и перспективные технологии изготовлении изделия с

использованием высокого энергетического способа обработки.................11

1.2. Физические основы взаимодействия лазерного излучения с металлическими материалами...........................................................14

1.3. Влияние технологических параметров лазерного излучения на фазовые превращения и формирование структуры металлических материалов......21

1.4. Лазерные технологические установки для обработки металлических.

25

изделии.......................................................................................

1.5. С02-Лазеры............................................................................30

1.6. Лазерное легирование................................................................34

1.7. Применения лазерных технологий для обработки поверхности изделий в промышленности...........................................................................36

1.8. Обобщение научной и технической информации по рассматриваемому вопросу и обоснование задачи и цели исследования.............................40

Глава 2 Материалы, оборудование и методы проведения

- 42 исследовании................................................................................^

2.1. Обоснование выбора материалов для исследования............................43

2.2. Характеристики лабораторного и технологического оборудования,

используемого в работе....................................................................

2.3. Приготовление образцов для испытания, измерения и

53

изучения......................................................................................

2.4. Разработка и изготовление специальной оснастки для определения износостойкости материалов после лазерной обработки..........................54

2.5. Методы определения изменения коррозионной стойкости образцов......................................................................................^б

2.6. Статистические и математические методы обработки результатов

со

испытаний и исследовании...............................................................

2.7. Расчеты и компьютерное моделирование температурных полей для

лазерной термической обработки......................................................60

Глава 3 Формирование микроструктуры и свойств при лазерной обработке в

непрерывном режиме лазерного излучения...........................................75

3.1. Исследование строения, величины и свойств зон термической обработки

для стали марки ....................................................................^

3.2. Исследование строения, величины и свойств зон термической обработки

70

для стали марки 12Х18Н10Т............................................................

3.3. Исследование строения, величины и свойств зон термической обработки

для стали марки 38Х2МЮА..............................................................83

3.4. Исследование строения, величины и свойств зон термической обработки

для стали марки 08Х14Н5М2ДЛ (ВНЛЗ).............................................»/

3.5. Исследование строения, величины и свойств зон термической обработки

для стали марки ....................................................................91

3.6. Исследование строения, величины и свойств зон термической обработки

для стали марки 38Х2Н2МА............................................................95

3.7. Исследование строения, величины и свойств зон лазерного легирования для стали марки 38Х2МЮА, легированной смесью порошков Сг, Мо, А1,

(Ш2)2СО.....................................................................................99

3.8. Исследование строения, величины и свойств зон лазерного легирования

для стали марки 38Х2МЮА, легированной смесью порошков А1, ...........................................................................................104

3.9. Исследование фазового состава и тонкой структуры материалов

108

образцов.....................................................................................

3.10. Испытание коррозионостойкости стали после лазерной

119

обработки..................................................................................

3.11. Закономерности поведения предельной удельной энергии деформации .............................................................................................121

3.12. Оценка градиента неравномерности твердости..............................122

3.13. Выводы по главе 3..................................................................125

Глава 4. Разработка программного обеспечения для определения микротвёрдости материалов, с использованием цифровой обработки

фотографий поверхности с отпечатками.............................................127

Глава 5 Производственное освоение разработанной лазерной технологии

обработанных поверхностей...........................................................^1

139

Общие выводы.............................................................................

142

Список литературы........................................................................

150

Приложения................................................................................

Введение

Актуальность работы

Одной из актуальных проблем энергетического машиностроения является разработка эффективных технологий обработки, позволяющих обеспечить деталям требуемые свойства рабочих поверхностей. Применение лазерных технологий способствует улучшению износостойкости, коррозионной стойкости, снижению времени длительности химико-термической обработки и других технологических характеристик, которые позволяют повысить качество, долговечность и эффективность работы деталей и КПД изготовляемых машин и приборов, увеличить экономические и экологические эффекты. К возможным технологическим способам обработки деталей, которые можно осуществлять с помощью лазера, относятся: поверхностная закалка, легирование, наплавка, сварка, размерная обработка, химико-термическая обработка. Вопросам воздействия лазерного излучения на свойства металлических материалов посвящены труды А.Г. Григорьянца, Г.И. Бровера, Д.Н. Гуреева, Л.И. Миркина, В.М. Андрияхина, А.В Макарова, К.В. Цай, О.П. Максимкина, Л.Г. Турубаровой, Л.Г. Коршунова, И.Ю. Малыгиной, А.Л.

Осинцевой, Дж Рэди и др.

Лазерная закалка и лазерное легирование находят все большее

применение в энергетическом машиностроении как способ повышения твердости, износостойкости, коррозионной стойкости и т.д. деталей. К числу, преимуществ можно отнести высокие скорости и локальность лазерной обработки, которые снижают неблагоприятные влияния теплового воздействия в тех местах детали, в которых не требуется термообработка.

Преимущество лазерного легирования заключается в том, что изделия могут изготавливаться из широко используемых материалов, а дорогие и дефицитные компоненты расходуются только в относительно тонком поверхностном слое на локальном участке изделия. Однако внедрение этих технологий на промышленных предприятиях ограничивается тем, что систематизированных научных положений и экспериментальных результатов.

по лазерной закалке и лазерному легированию сталей, применяемых в энергетическом машиностроении, в настоящее время явно не достаточно.

Актуальность данного исследования обусловлена необходимостью создания научных основ для разработки технологий лазерной закалки и лазерного легирования и установления влияния технологических параметров обработки на изменение структуры и свойств поверхностных слоев изделий энергетического машиностроения, в которых широко используются высоколегированные конструкционные стали различных классов.

Работа выполнялась на основе программы «Развитие научного потенциала вышей школы», программы «Развитие инфраструктуры научно-технической и инновационной деятельности высшей школы и ее кадрового потенциала» и Единого Заказ - наряда Министерства образования и науки РФ «Разработка фундаментальных основ создания новых металлических, неметаллических и композиционных материалов» р/н № 1.2.09.

Цель работы

Целью данной работы является создание научных основ повышения эксплуатационного ресурса изделий энергетического машиностроения, за счет лазерного термического упрочнения и легирования используемых конструкционных сталей. Для достижения поставленной цели в диссертации необходимо было выполнить:

1.Металлографическими, физическими, химическими и рентгеноспектральными методами исследовать структурные композиции, формирующиеся в поверхностном слое образцов из сталей марок 03Х21Н32МЭБ, 12Х18Н10Т, 38Х2МЮА, 08Х14Н5М2ДЛ, З8ХНЗМФА, 38Х2Н2МА при лазерной закалке и из стали 38Х2МЮА при лазерном легировании смесью порошков Сг, Мо, А1 и (МН2)2СО, также смесью порошков А1 и (ЫН2)2СО.

2. Провести анализ влияния воздействия параметров лазерной обработки на микроструктуру, коррозионную стойкость и физико-механические свойства исследуемых сталей.

3. Расчеты фактических значений температурных полей и глубин проникновения лазерного воздействия в сталях при лазерной обработке, произведены с помощью компьютерного моделирования в среде СОМБОЬ 3.5а.

4. Разработать программное обеспечение для оценки значений микротвердости с помощью цифровой обработки изображений в среде ЬаЪУ1елу

7.0.

5. Разработать и внедрить технологический процесс обработки излучением С02-лазера сталей марок ОЗХ21Ю2МЗБ, 12Х18Н10Т, 38Х2МЮА, 08Х14Н5М2ДЛ, 38ХШМФА, 38Х2Н2МА при лазерной закалке и стали 38Х2МЮА при лазерном легировании смесями порошков Сг, Мо, А1 и

(Ш2)2СО и А1 и (КН2)2СО.

Научная новизна диссертации состоит:

1. В установлении влияния параметров лазерной обработки, определяющих лазерное термическое упрочнение и легирование, на

микроструктуру и свойства исследуемых сталей.

2. В установлении закономерности изменения физико-механических свойств после лазерной термообработки сталей марки 03Х21Н32МЗБ, 12Х18Н10Т, 38Х2МЮА, 08Х14Н5М2ДЛ, 38ХНЗМФА, 38Х2Н2МА и стали 38Х2МЮА при лазерном легировании смесями порошков Сг, Мо, А1 и

(Ш2)2СО и А1 и (Ш2)2СО.

3. В исследовании эффективности влияния лазерной термообработки

сталей 03Х21Н32МЗБ, 12Х18Н10Т, 38Х2МЮА, 08Х14Н5М2ДЛ, 38ХНЗМФА, 38Х2Н2МА и лазерного легирования стали 38Х2МЮА на их износостойкость

и коррозионную стойкость.

4. В определении максимальных температур на границах образующихся

зон лазерного термического влияния, а также в определении коэффициента поглощения лазерного излучения поверхности сталей при исследуемых режимах лазерной обработки.

Практическая значимость данной работы заключается:

- в разработке и обосновании промышленной технологии лазерной термической обработки и лазерного легирования деталей энергетического машиностроения.

- в разработке программного обеспечения, для определения

микротвердости сталей.

- в апробации на ООО «Гидротермаль» и ОАО «Инженерный центр» при

изготовлении и обработке деталей типа штуцеров, фланцев, втулок и поворотных клапанов технологии, подтверждённой техническим эффектом -

Акты предприятий.

- во внедрении результатов работы в учебный процесс на кафедре

«Материаловедение и технология новых материалов» НГТУ им. Р.Е. Алексеева в дисциплинах «Теория, технология и оборудование высокоэнергетических методов обработки материалов», «Технология высокоэнергетических методов обработки материалов», «Теория термической и химико-термической обработки» и «Физические основы лазерного термоупрочнения, наплавки,

резки».

Предмет исследования - микроструктура, механические свойства,, износостойкость и коррозионная стойкость изделий энергетического машиностроения.

Объект исследования - элементы конструкции энергетических установок типа штудер, фланец, втулка, поворотный клапан и др., изготавливаемые из сталей марок 03Х21Н32МЗБ, 12Х18Н10Т, 38Х2МЮА, 08Х14Н5М2ДЛ, З8ХНЗМФА, 38Х2Н2МА.

Основные положеният выносимые на защиту

1. Результаты исследования влияния структуры и свойств поверхности сталей 03Х21Н32МЗБ и 12Х18Н10Т на их коррозионную стойкость.

2. Закономерности формирования микроструктуры в зоне лазерного облучения высоколегированных аустенитных, аустенитно-мартенситной, ферритно-перлитной и мартенситных сталей.

3. Результаты экспериментальных исследований износостойкости сталей 03X21H32M3B, 12Х18Н10Т, 38Х2МЮА, 08Х14Н5М2ДЛ, З8ХНЗМФА, 38Х2Н2МА после лазерной термообработки и лазерного легирования стали 38Х2МЮА различными видами легирующих обмазок и сравнительная оценка

их эффективности.

.Личный вклад автора состоит в выборе направления научно-

технологического исследования, определении целей исследований, анализе литературных источников, осуществлении экспериментов и интерпретации полученных результатов, проведении металлографических, физико-механических и других исследований. Автор провел обработку натурных изделий по разработанным технологиям, которые прошли испытания с положительным результатом на ООО «Гидротермаль» и ОАО «Инженерный

центр».

Достоверность полученных результатов подтверждается корректностью определения решаемых задач и их физической и металловедческой аргументированностью, большим количеством экспериментов и экспериментальных данных и положительными результатами внедрения результатов исследований.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на .следующих конференциях: VII Международная молодежная НТК «Будущее технической науки» Н. Новгород, НГТУ, 2008 г; 14-я Нижегородская сессия молодых ученых, технические науки, 2009г; III Всероссийский смотр научных и творческих работ иностранных студентов и аспирантов, Томск, ТПУ, 2009г; XVI Нижегородская сессия-молодых ученых, технические науки, 2011 г.

Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ, в том числе из списка рекомендуемых изданий ВАК, а также имеется 2 патента и регистрация программного обеспечения.

Объем и структура работы

Работа состоит из введения и пяти глав, библиографического списка из 83 наименований и приложений на 46 страницах. Диссертация изложена на 195 страницах, текст содержит 58 таблиц и 84 рисунка.

Автор выражает глубокую благодарность за помощь и участие в проведении научно-исследовательских работ коллективу кафедры «Материаловедение и технология новых материалов» Нижегородского государственного технического университета им P.E. Алексеева и лично научному руководителю профессору кафедры, д.т.н. Г.Н. Гаврилову, а также заведующему кафедрой МТНМ доценту, к.т.н. C.B. Костромину, ассистенту кафедры, к.т.н. Е.С. Беляеву, к.т.н. доценту кафедры «Металловедение, термическая и пластическая обработка металлов» Л.А. Ошуриной за активную помощь при совместном работе над рядом научных и технических проблем по теме диссертации, а также заведующему кафедрой МТПОМ д.т.н. В.А. Скуднову за внимательное прочтение работы и высказанные критические замечания, способствующие улучшение содержания диссертационной работы.

1 Анализ литературных данных по состоянию рассматриваемого вопроса

1.1 Существующие и перспективные технологии изготовлении изделий с использованием высокоэнергетических способов обработки

1.1.1 Лазерное упрочнение поверхностей

Метод лазерной обработки (ЛО) объединяет различные виды обработки, отличающиеся результатом воздействия излучения на поверхность, характером

протекающих процессов, условиями обработки и т.д.

В общем случае улучшение эксплуатационных свойств металлических материалов при различных видах лазерной обработки связано с изменением структурного состояния, фазового и химического составов поверхностных слоев. Причем в ряде случаев ЛО позволяет получить на поверхности изделия с таким составом, структурой и свойствами, которые недостижимы или трудно достижимы традиционными методами обработки. Используя лазерный луч, как источник высококонцентрированный тепловой энергии, можно выполнять различные виды локальной термической обработки как в обычной атмосфере, так и в аргоне или гелии. При защите зоны лазерного воздействия инертными газами качество поверхности (ее "зеркальность") не изменяются, в то время как обработка в обычной атмосфере, не изменяя шероховатости поверхности,

нарушает ее чистоту.

Обработку импульсным лазерным излучением наиболее целесообразно

вести с 50%-ным перекрытием сфокусированных пятен лазерного луча.

Изделия перед обработкой должны пройти окончательную механическую и термическую подготовку, быть очищены от пыли, грязи, масел и т.п.

На обрабатываемой поверхности не должно быть трещин, сколов, прожогов и других дефектов.

Перед лазерной обработкой поверхности определяются характеристики обработки: энергия излучения, размер пятна сфокусированного лазерного луча

и длительности его воздействия.

Если лазерная установка позволяет изменять длительность лазерного

импульса, то для достижения большей глубины закалки необходимо иметь

импульс большей длительности, так как глубина И проникновени�