Повышение служебных свойств поверхности конструкционных низкоуглеродистых сталей методом лазерного легирования

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 износои 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 бори 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.