автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Структура и свойства штамповых сталей после лазерного поверхностного упрочнения

ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (ДГТУ) УДК 621.785: 669.14.018.29 На правах рукописи

Варавка Валерий Николаевич

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ШТАМПОВЫХ СТАЛЕЙ ПОСЛЕ ЛАЗЕРНОГО ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ

Диссертация на соискание

ученой степени кандидата технических наук

Специальность 05.02.01 - Материаловедение

(машиностроение)

Научный руководитель профессор, доктор технических наук Пустовойт В.Н.

Ростов-на-Дону, 1999 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ................................................................................. 5

1. Современное состояния вопроса и оценка перспектив использования лазерного нагрева для целей термической обработки и легирования штамповых сталей Постановка задачи исследований............................... 11

2. Методики проведения исследований................................................ 24

2.1. Методика экспериментального определения пространственного распределения энергии в сечении лазерного луча......................... 26

2.2. Методика измерения формы и длительности лазерного импульса............................................................................ 27

2.3. Методика металлографических исследований,....................................28

2.4. Методика рентгеноструктурных исследований...............................29

2.4.1. Качественный рентгеновский фазовый анализ..................... 29

2.4.2. Количественный рентгеновский фазовый анализ.........................31

2.4.3. Определение содержания углерода в основных фазах термически обработанной стали............................................... 32

2.5. Методика электронномикроскопических исследований..................33

2.6. Специальные методы определения износостойксти.................. 34

2.7. Методы нанесения легирующих покрытий на поверхность изделий......................................................................................36

3. Теплофизические особенности процесса импульсной лазерной обработки штамповых сталей..................................................................................38

4. Некоторые закономерности формирования структуры штамповых сталей при лазерной закалке.......................................................................................61

4.1. Строение поверхностных слоев штамповых сталей после импульсной лазерной обработки.............................................. 61

4.2. Термодинамическое обоснование возникновения метаста-бильного аустенита в сталях при обработке лазерным излучения...... 70

4.3. Анализ причин увеличения количества у-фазы при лазерном облучении штамповых сталей и ее влияния на основные эксплуатационные характеристики........................................... 77

4.4. Влияние карбидов и неметаллических включений на упрочнение штамповых сталей при лазерном воздействии.............. 89

4.5. Особенности строения зоны лазерной закалки из жидкого состояния............................................................................ 102

4.6. Определение условий получения в зоне лазерного облучения аморфного состояния.....................................................................110

4.7. Особенности текстурообразования в штамповых сталях при импульсной лазерной обработке............................................... 116

5. Комбинированные способы упрочнения поверхности штамповых сталей, включающие лазерный нагрев................................................... —.... 120

5.1 .Лазерное легирование штамповых сталей из покрытий............. 120

5.2. Интенсификация процессов лазерного упрочнения и легирования путем проведения предварительного пластического деформирования сталей......................................................... 147

6. Взаимосвязь структуры и свойств штамповых сталей в зонах лазерного упрочнения................................................................................... 157

6.1. Структурные аспекты износостойкости штамповых сталей после лазерной обработки...............................................................157

6.2. Устойчивость структур лазерной закалки и легирования к разупрочнению при нагреве...........................................................169

6.3. Перспективы использования лазерной обработки для повышения адгезионной стойкости штампового инструмента......... 178

7. Технологические основы лазерного упрочнения штампового инструмента................................................................................. 182

7.1. Требования к упрочняемым изделиям.................................. 192

7.2. Выбор участков для лазерного облучения.........................................192

7.3. Требования к поверхности изделий, поступающих на лазерную 192 обработку......................................................................................193

7.4. Выполнение операций по облучению изделий.................................193

7.5. Контроль качества лазерного упрочнения..............................

7.6. Информационный материал по контролю и обслуживанию 194 лазерных технологических установок типа "Квант........................

8. Производственные испытания упрочненного штампового инструмента.... 198

Выводы...................................................................................................199

Библиографический список...........................................................................205

Приложения. Результаты промышленного внедрения технологий лазерного

упрочнения......................................................................................................223

ВВЕДЕНИЕ

Среди различных способов металлообработки заметное место принадлежит холодной штамповке. Это объясняется тем, что технологические процессы холодного деформирования обладают высокой производительностью за счет легкой механизации и автоматизации, позволяют изготавливать детали достаточно сложной формы с повышенной степенью точности, более рационально (по сравнению с литьем, резанием, ковкой) использовать обрабатываемый металл и улучшать его механические свойства, снижая тем самым вес изделия.

Вместе с тем, интенсификация штамповочных операций, а также использование при создании продукции высокопрочных, жаропрочных, нержавеющих и других сталей (сплавов) с высокими эксплуатационными характеристиками вызывает необходимость повышения стойкости штампового инструмента.

Анализ проблемы повышения надежности и долговечности рабочих частей штампов показывает, что в настоящее время не представляется возможным решить вопрос увеличения срока службы изделий только путем применения для их изготовления дорогостоящих высоколегированных материалов, поскольку в большинстве случаев это экономически не оправдывается [1].

Поэтому чрезвычайно актуальным и важным становится путь повышения долговечности штампового инструмента из углеродистых и экономнолегированных сталей за счет термоупрочнения и легирования рабочих частей штамповой оснастки. При этом резко уменьшается расход дефицитных и дорогих материалов, а эффект повышения работоспособности оказывается значительным, так как в тонких поверхностных слоях штамповых сталей можно получать более высокие физические и механические свойства, чем в монолитных изделиях [2].

Наряду с широко применяемыми способами поверхностного упрочнения (наплавка, напыление, различные виды химико-термической обработки, закалка

токами высокой частоты и др.) весьма перспективной является импульсная лазерная обработка. Объясняется это следующими причинами. Во-первых, лазерный способ упрочнения является локальным, что дает возможность обрабатывать только повреждаемые в процессе эксплуатации участки рабочих поверхностей, уменьшая деформацию и коробление инструмента и обеспечивая экономию электроэнергии по сравнению с часто использующимся азотированием и нитроцементацией. Во-вторых, в отличие от альтернативных видов поверхностного упрочнения (ионно-плазменное напыление, электронно-лучевая обработка и др.) лазерная закалка (легирование) не требует трудоемкого вакуумирования. И, в-третьих, технология упрочнения с использованием лазерного нагрева базируется на серийно выпускаемых высокопроизводительных установках типа "Квант", "Кристалл", "Корунд", "Кизил" и легко поддается автоматизации.

Импульсная лазерная обработка основана на использовании для нагрева материалов тепловых источников высокой энергонасыщенности, плотность мощности которых составляет сотни Мвт/м2, а время действия находится в пределах миллисекундного диапазона. При этом достигаются гипервысокие (до 106 град/с) скорости нагрева до закритических температур при наличии

7 8

значительных (10-10° град/м) градиентов по глубине, обеспечивающих за счет отвода тепла "холодной" массой облучаемого материала охлаждение со скоростями 104-106 град/с.

В результате крайне неравновесных тепловых процессов в приповерхностных объемах обрабатываемых сталей фиксируется закаленная зона, обладающая высокодисперсным кристаллическим строением с пониженной травимостью. Глубина этой зоны зависит от поглощательной способности и теплофизических характеристик материала, плотности мощности лазерного луча, длительности его воздействия и составляет 100-150 мкм.

Исследования, проведенные в течение последних 30 лет ведущими учеными Рэди Дж., Рыкалиным H.H., Угловым A.A., Кокорой А.Н., Миркиным Л.И., Кришталом H.A., Григорьянцем А.Г., Сафоновым А.Н., Коваленко B.C., Коганом

Я.Д., Крапошиным B.C. и др., позволили установить, что природа упрочнения сталей и сплавов в зонах лазерного воздействия обусловлена уникальной морфологией сосуществующих фаз и особым способом структурной организации, в частности, повышенной плотностью дефектов кристаллического строения, дисперсностью блоков, концентрационной неоднородностью и др. Это обеспечивает аномально высокую твердость поверхностных слоев (10-12,5 ГПа), а также оказывает положительное влияние на основные эксплуатационные свойства обрабатываемых материалов - износостойкость, теплостойкость, коррозионную стойкость.

Несмотря на имеющийся научный задел, импульсную лазерную обработку нельзя отнести к универсальному технологическому процессу упрочнения металлообрабатывающего инструмента. Это обусловлено, с одной стороны, сложностью и недостаточной изученностью структурных и фазовых превращений, происходящих в упрочняемых зонах различных материалов, а с другой стороны, необходимостью обоснованной корректировки режимов облучения в зависимости от геометрии рабочей части инструмента, химического состава и предшествующей термообработки инструментального материала.

В настоящей работе с научных позиций обсуждаются результаты исследований влияния лазерного облучения на структурообразование при термоупрочнении и легировании из покрытий различного состава штамповых сталей для холодного деформирования. В частности, рассматриваются особенности процесса образования аустенита, термодинамики, кинетики и механизма мартенситного превращения, некоторых видов химико-термической и комбинированной (в сочетании с ППД) обработок в зонах высокоскоростного лазерного нагрева.

По нашему мнению, впервые с термодинамических позиций обсуждаются возможности использования внутренних резервов упрочненных материалов для целей структурной приспосабливаемости в условиях эксплуатации под действием внешних температурно-силовых факторов.

В результате выполненных исследований в настоящей работе получены следующие результаты, которые выносятся на защиту:

• выполнен анализ топографии температурного поля для квазистационарного режима генерации импульсного лазера при нагревании и при охлаждении после прекращения действия лазерного импульса. Полученные данные об основных параметрах процесса лазерного нагрева и последующего охлаждения за счет теплопроводности в холодную массу могут быть с достаточной точностью использованы для инженерных расчетов режимов лазерной термообработки и легирования;

• на основе представлений кинетической теории гипернеравновесных фазовых переходов вскрыты закономерности формирования структурной картины в штамповых сталях при лазерной термообработке и легировании, в частности, обоснованы причины образования метастабильного аустенита, причины увеличения объемной доли остаточного аустенита при лазерном нагреве штамповых сталей, описаны особенности строения зоны закалки из жидкого состояния и возможности частичной аморфизации, а также особенности текстурообразования при импульсной лазерной закалке;

• показаны особенности структурообразования и резервы упрочнения при использовании комбинированных методов, включающих лазерный нагрев, поверхностное легирование и ППД;

• впервые доказано, что отрицательная роль неметаллических включений, как очагов локального хрупкого разрушения, может быть существенно нивелирована при лазерной обработке;

• с учетом большой возможной вариабельности результатов лазерной обработки впервые исследована роль образования при эксплуатации мартенсита деформации как адаптивного фактора.

Разработанный в результате теоретических и экспериментальных исследований технологический процесс упрочнения штампового инструмента с использованием лазерного излучения включает в себя технологические инструкции по проведению технологического процесса, содержащие

рекомендации по выбору режимов и схем лазерного облучения и легирования инструмента различного функционального назначения; инструкции по контролю качества лазерного упрочнения; операционные технологические карты лазерного упрочнения и легирования типовых представителей штампового инструмента на установках типа "Квант", включающие последовательность выполнения технологического процесса, рекомендуемые схемы и режимы облучения, составы легирующих покрытий, требования к качеству облученной поверхности.

Таким образом, выполненная работа представляется как решение научно-технической проблемы материаловедения, имеющей важное значение для национальной экономики и заключающейся в комплексном металло физическом исследовании закономерностей структурообразования штамповых сталей при лазерном воздействии, определении основных свойств закаленных слоев, возможностей управления процессом упрочнения и в разработке на этой основе технологических процессов упрочнения штампового инструмента, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса.

Разработанные технологические процессы апробированы и внедрены со значительным эффектом (1078016 рублей в ценах до 1994 года, 49000000 рублей в ценах 1994-1996 годов и 42000 в ценах 1998 года) на ряде предприятий России: ГПЗ-23 (г.Вологда, 1978-1981 г.г.), ГПЗ-10 (г.Ростов-на-Дону, 1981 г.), ПО "Ростсельмаш" (г.Ростов-на-Дону, 1981 г.), завод "Пирометр" (г.Ленинград, 19831986 г.г.), РВПО (гРостов-на-Дону, 1983 г.), БКМЗ (г.Белая Калитва, 1986-1988 г.г.), АЗП (г.Азов, 1996 г.), НИИ "Градиент" (г.Ростов-на-Дону, 1996 г.), АОМЗ (г.Азов, 1998 г.).

По теме диссертации опубликовано 115 научных работ, в том числе 1 в международном журнале, 5 в материалах международных научно-технических конференций и совещаний, 25 в российской центральной печати, 37 в материалах всесоюзных и межреспубликанских научно-технических конференций, 3 рукописи депонированы в Черметинформации, 22 в межвузовских сборниках научных трудов, 5 информационных листков, 2 рекламных проспекта, 1 учебное пособие.

Диссертационная работа изложена на 250 страницах машинописного текста и состоит из введения; 8 глав основной части; выводов; списка литературных источников из 190 наименований, приложения, содержащего акты внедрения технологических процессов лазерного упрочнения и легирования штампового инструмента в производство различных предприятий. В тексте диссертации содержится 115 рисунков, 12 таблиц.

Работа выполнена на кафедре "Физическое и прикладное материаловедение" Донского государственного технического университета в течение 1968-1998 годов.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ОЦЕНКА ПЕРСПЕКТИВ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЛАЗЕРНОГО НАГРЕВА ДЛЯ ЦЕЛЕЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ И ЛЕГИРОВАНИЯ ШТАМПОВЫХ СТАЛЕЙ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

В современном машиностроении одной из актуальных проблем является качество и эксплуатационная стойкость штампового инструмента, что связано с интенсификацией процессов металлообработки, осуществляемой в последнее время за счет широкого внедрения автоматических линий, гибких производственных систем, многооперационных станков с ЧПУ и других технических мероприятий, реализация которых требует обеспечения регламентированной стойкости инструмента. Это вызвало необходимость разработки и промышленного освоения новых методов поверхностной упрочняющей технологии. Применение высоких технологий упрочнения существенно улучшает основные свойства материалов для штампов холодного деформирования, в частности, повышает твердость, износостойкость, теплостойкость, коррозионную стойкость, адгезионную стойкость и т.д., что приводит к повышению эксплуатационных характеристик упрочненных изделий до 5 раз и позволяет сократить затраты на производство и приобретение инструмента, увеличить производительность труда, улучшить качество механической обработки, уменьшить расход высоколегированных сталей и т.д.

Известно, что условия эксплуатации штампового инструмента и технологической оснастки весьма разнообразны по уровню тепловых и механических нагрузок, а также виду напряженного состояния, возникающего в штампе [3-5]. В таких условиях материалы должны обладать вы