Введение к работе
Актуальность проблемы.
Важной задачей производства является применение новых прогрессивных методов поверхностного термоупрочнения и микролегирования изделий с целью получения высокого уровня эксплуатационных свойств. Использование высококонцентрированных потоков энергии для поверхностного упрочнения и легирования деталей машин, технологической оснастки и металлообрабатывающего инструмента является перспективным в связи с возможностью целенаправленной организации структуры поверхностных слоев за счет направленной кристаллизации, дисперсионного упрочнения, армирования, химико-термической обработки и, как следствие, получения нетривиального комплекса физических, химических и механических свойств. Это создает реальные предпосылки получения изделий, отличающихся возможностью их эксплуатации в экстремальных условиях.
В настоящее время способы обработки материалов с использованием высококонцентрированных потоков энергии распространены недостаточно широко. Актуальность исследований в этом направлении обусловлена сложностью и недостаточной изученностью механизмов и эффектов, сопровождающих процессы упрочнения и легирования различных материалов из покрытий в условиях гипервысоких скоростей нагрева и охлаждения, что сдерживает разработку рекомендаций прикладного характера применительно к таким высоким технологиям, как лазерное упрочнение и легирование.
Решение проблемы оптимального использования высококонцентриров энных потоков энергии для поверхностной обработки различных материалов требует разработки теоретических положений о влиянии энергетических характеристик и условий обработки на эффективность упрочнения, а также изучения особенностей организации структуры сталей и сплавов в условиях гипернеравновесных фазовых переходов.
В згой связи актуальной задачей и важным научным направлением на пути создания и совершенствования технологий поверхностного упрочнения и легирования высококонцентрированными потоками энергии является получение достоверных теоретичзских и экспериментальных данных о механизме гиперскоростного а-*у перехода в зависимости от организации матричных структур, развитие частной теории процессов зарождения и роста в условиях гипернеравновесности; анализ особенностей явления структурной наследственности применительно к гипернеравновесным фазовым переходам; установление роли массопереноса в создании структурной картины при реализации <х-»у-»а переходов; анализ термодинамических и кинетических условий получения в зоне лазерной обработки аморфного состояния: изучение природы влияния факторов внешнего воздействия на механизм и кинетику гипернеравновесных фазовых переходов; определение корреляционных связей механических свойств со структурным состоянием поверхностных слоев материалов, упрочненных или легированных с использованием лазерного излучения, а также направления трансформации структуры и свойств упрочненных слоев при внешнем энергетическом
воздействии в процессе эксплуатации. Опыт показывает, что лазерная обработка может способствовать повышению качества поверхностных слоев керметов, позволяет создавать на поверхности напряжения сжатия, химические и структурные композиции с набором дифференцированных свойств, задаваемых параметрами лазерного излучения и условиями эксплуатации. Лазерная обработка на определенных режимах приводит также к снижению пористости различных покрытий на сталях, "залечиванию" поверхностных дефектов, микротрещин, повышению прочности сцепления покрытия с подложкой. Для оптимизации параметров лазерной обработки необходимо знание всех аспектов воздействия лазерного излучения на структуру и основные свойства различных материалов и покрытий, а также возможностей повышения эффективности упрочняющих технологий путем комбинированной обработки, сочетающей внешнее воздействие с лазерным нагревом.
На основании выполненных исследований в диссертации разработаны теоретические положения, совокупность которых можно квалифицировать как новое крупное достижение в развитии материаловедения в машиностроении, позволяющее:
прогнозировать развитие гипернеравновесных фазовых переходов в поверхностных слоях материалов как при лазерном облучении, так и при последующей эксплуатации упрочненных изделий;
целенаправленно конструировать структуру поверхностных слоев различных материалов при обработке концентрированными потоками анергии, в частности, при лазерной обработке, легировании и комбинированной, поверхностной обработке, включающей лазерный нагрев;
управлять механическими, технологическими и эксплуатационными свойствами лазерно-упрочненных материалов путем определения корреляционных связей свойств и структурно-фазового состояния поверхностных облученных слоев.
Работа выполнялась в соответствии с Региональной научно-технической программой "Развитие Ростовской области вузовской наукой" (раздел "Конверсия", 1SS4 г.), утвержденной постановлением Главы администрации Ростовской области №53 от 02.03.94 г., а также в рамках общероссийской межвузовской научно-технической программы "Университеты России" (Технические университеты) (1994-1997 г.г.), раздел "Фундаментальные исследования в технических университетах" (подраздел 2.1-"Машиностроение", секция 2.1.2-"Фундаментальные основы создания высоких технологий специального машиностроения"), утвержденной приказом Госкомвуза РФ.
Цель работы. Создание научных основ методов термического упрочнения и легирования различных материалов с применением лазерного нагрева, набор оптимально полного банка экспериментальных данных о строении и свойствах материалов, полученных в условиях гипернеравновесных фазовых переходов, и разработка на зтой основе технологических процессов упрочнения и легирования деталей машин, технологической оснастки и металлообрабатывающего инструмента.
Научная новизна диссертационной работы заключается в получении следующих новых научных результатов, которые автор защищает:
1. Концептуальные положения теплофизической и структурно-энергетической
моделей процесса лазерного упрочнения сталей и сплавов. Метод количественного
определения режимов лазерной обработки для получения состояния с особой органи
зацией дислокационной структуры в зоне лазерного воздействия. Теплофизические
методы определения основных параметров лазерного упрочнения и глубины распо
ложения заданных изотерм, которые могут быть использованы для инженерных рас
четов режимов поверхностной лазерной термообработки и легирования, »а также
прогнозирования основных свойств облученных зон материалов.
-
Аналитический подход к оптимизации структуры облученного сплава с использованием данных о диссипативных свойствах материалов применительно к заданным условиям эксплуатации изделий. Определение возможности создания условий, обеспечивающих самоорганизацию иерархической структуры системы путем организации наиболее эффективного обмена энергией и веществом как в пределах самой системы, так и с окружающей средой за счет активизации обратных связей.
-
Положения частной теории процессов зарождения и роста в условиях гиперне-равноеесности, в которой обосновано елияние скорости нагрева и повышенной плотности дефектов кристаллического строения основных фаз металла на снижение энергии образования зародышевого центра критического размера, а также на увеличение темпа фазовых реакций.
-
Экспериментальные данные о структурных особенностях процесса упрочнения металлически,1; материалов при лазерной обработке, в том числе особенностях проявления эффекта "структурной наследственности" в закаленных из твердого состояния зонах металла, к которым относится увеличение размера выявляемого аустенит-ного зерна на 15-35%; особенности строения зоны лазерной закалки из жидкого состояния, состоящие в формировании при пластическом течении поверхностных слоев облучаемого металла большого количества линий сдвига и полос деформации. Результаты анализа дислокационной структуры зоны лазерной обработки, которые позволяют выделить основные механизмы торможения движущихся дислокаций, ответственных за степень упрочнения материала поверхностных слоев.
5. Основные положения кинетической теории гипернеравновесных фазовых
переходов в металлических материалах, включающие: термодинамическое обосно
вание возникновения метастабильного аустенита в сталях при скоростной лазерной
обработке; анализ причин увеличения количества у-фазы при лазерном облучении
закаленных сталей и ее влияние на основные эксплуатационные характеристики:
особенности у-*а превращения в процессе скоростного лазерного термоупрочнения;
влияние исходной структуры сталей на эффект лазерного упрочнения; особенности
поведения включений а сталях и сплавах при лазерном облучении; влияние энерге
тических характеристик процесса и условий обработки на эффективность лазерной
обработки; особенности организации структуры сталей и сплавов при термообработке
концентрированными потоками энергии; условия получения в зоне лазерного воздей
ствия аморфного состояния металлов и сплавов; особенности текстурной оргзниэа-
ции,* как фактор улучшения технологических свойств материалов после лазерной обработки.
-
Природа влияния факторов внешнего воздействия на механизм и кинетику шпернвравновесных фазовых переходов, выявленную с использованием результатов следующих исследований: оптимизация геометрических параметров макроструктуры и состава композиционных покрытий, полученных лазерным легированием; теоретическая оценка роли массопереноса в создании структурной картины при импульсной лазерной обработке и легировании сталей и сплавов; лазерное легирование сталей и сплавов из покрытий, полученных разными способами (шликерным, электроискровым легированием,,, ионно-плазменным напылением., химическим осаждением и др.); интенсификация процессов лазерного упрочнения и легирования путем проведения предварительного пластического деформирования и ультразвуковой обработки сталей и сплавов:
-
Вскрытые взаимосвязи структуры металлических материалов в зонах лазерного упрочнения с их свойствами: теплостойкостью, износостойкостью, адгезионной стойкостью, трещиностойкостыс, конструкционной прочностью, коррозионной стойкостью. Найденные пути целенаправленного использования внутренних резервов структурной, приспосабливаемое поверхностных слоев материалов к условиям эксплуатации, '/сходя из анализа структурно-энергетического состояния материалов в парах трения.
S. Данные экспериментальных и теоретических исследований особенностей фазовых и структурных превращений » поверхностных слоях керметов и апастмасс в условиях гяпернеразновэсности.
S. Экспериментально установленный факт повышения характеристик качества различных покрытий путем лазерной обработки, в том числе структурные эффекты упрочнения химических покрытий системы Ni-P; особенности процесса лазерного легирования химических покрытий; износостойкость химических покрытий после лазерного облучения.
10. Технологические принципы лазерного поверхностного упрочнения и легирования деталей машин, технологической оснастки и металлообрабатывающего' инструмента различного функционального назначения, включающие выбор схем и оптимизацию режимов облучения; технологические инструкции и технологические карты процесса лазерного упрочнения и легирования различных изделий.
. Практическая ценность и реализация работы е промышленности. В диссертации изложены научно обоснованные технологические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса. В частности, изученные и описанные в диссертации общие закономерности влияния энергетических характеристик и условий обработки иа эффективность лазерного упрочнения и легирования различных материалов, позволяют существенно расширить
пути целенаправленного воздействия на их структуру и получать свойства поверхностных слоев, необходимые для различных условий эксплуатации.
Прикладное значение для создания и совершенствования технологии лазерной обработки материалов имеют полученные в диссертации теоретические и экспериментальные данные о механизме и кинетике гиперскоростной аустенитизации в зависимости от организации матричных структур; уточненные для условий гипернеравно-веснссти положения теории структурной наследственности; .особенности дислокационного механизма сдвиговых а->у-»а переходов; оценка роли массопереноса в создании конечных структур при гипернеравновесном нагревании; данные об условиях получения в зоне упрочнения высококонцентрированными потоками энергии текстурных эффектов и аморфного состояния металлов и сплавов. Эти сведения раскрывают физическую сущность механизмов упрочнения и определяют возможности управления составом и структурой поверхностных слоев материалов, а также использования эффектов упрочнения и релаксационных эффектов для целенаправленного влияния на структуру и свойства сталей и сплавов в процессе лазерной термообработки и легирования.
Новые сведения об интенсификации процесса лазерного упрочнения за счет комбинированной обработки, сочетающей легирование из внешних источников, предварительное пластическое деформирование, ультразвуковую обработку с лазерным нагревом расширяют возможности применения обработки изделий концентрированными потоками энергии и должны учитываться при назначении их режимов. Дополнительные резервы заключены в использовании внутренних ресурсов структурной при-спосабливаемости облученных изделий в условиях термомеханического воздействия при эксплуатации.
Данные, относящиеся к количественным закономерностям изменения напряженного состояния и химического состава поверхностных слоев керметов при лазерном упрочнении и легировании могут быть использованы для повышения их качества, обеспечения трещиностсйкости изделий из твердых сплавов и керамик.
Приведенные в работе сведения о структурных особенностях процесса лазерного облучения различных покрытий и формировании при этом нетривиального комплекса свойств позволяют в широких пределах регулировать состав и основные эксплуатационные характеристики поверхностных слоев изделий различного функционального назначения.
Разработанные в диссертации технолошческие принципы лазерного упрочнения и легирования технологической оснастки и металлообрабатывающего инструмента позволяют повысить их стойкость в 2-:5 оаз.
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе в виде содержательной части текстов лекций, учебных пособий, раскрывающих теоретические и технологически? особенности методов поверхностного упрочнения материалов концентрированными потоками энергии; при чтении курсов "Материаловедение",
Теория термической обработки металлов", "Научные основы выбора материалов для деталей машин и методов достижения требуемых свойств".
Разработанные технологии лазерного упрочнения и легирования деталей машин, технологической оснастки и металлообрабатывающего инструмента различного функционального назначения апробированы и внедрены на предприятиях различных отраслей машиностроения России и Украины: ГПЗ-23 (г.Вологда), ГПЗ-10 (г.Ростов-на-Дону), РВПО (г.Ростов-на-Дону). ПО "Ростсельмаш" (г.Ростов-на-Дону), завод "Пирометр" (г.Санкт-Пвтербург), БКМЗ (г.Белая Калитва), АОМЗ (гАзов), АЗП (гАзов), НИИ Традиент" (г.Ростов-на-Дону), ГП "Завод им.Малышвва" (г.Харьков).
Суммарный годовой экономический эффект от внедрения разработанных технологических процессов лазерного упрочнения и легирования различных изделий, при создании которых были использованы теоретические, экспериментальные данные и рекомендации настоящей диссертации, составил 1078616,1 рублей в ценах до 1992 года и 711306400 рублей в ценах 1994-1996 г.г.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены за период с 1981 по 1996 год на 51 научно-технической конференции, в том числе: на международных научно-технических конференциях (г.гАрхангельск, Ростов-на-Дону, Шатура)^ международном научном совещании (г.Благовещенск), международной научно-технической российско-германской конференции (г.Санкт-Петербург), всесоюзных научно-технических симпозиумах (г.г.Москва, Одесса), всесоюзном научно-техническом семинаре (г.Мссква), всесоюзных научно-технических конференциях (г.г.ДнепропетроБСК, Киев, РоїТОй-на-Дону, "Красноярск, Тольятти, Ленинград, Телави, Таллин, Москва, Хмельницкий, Николаез, Севастополь), межреспубликанской научно-технической конференций (г.Волгоград), Республиканских научно-технических конференциях (г.г.Киев, Краматорск), зональных научно-технических конференциях (г.г.Рубцовск, Новокузнецк, Пенза), зональном семинаре (г.Пенза), научно-технических конференциях (г.г.Челябинск. Тюмень, Краснодар, Минск, Пенза), на 2 собрании металловедов России (г.Пенза).
Публикации результатов исследований. По теме диссертации опубликовано 157 научных работ, в том числе 1 в международном журнале, 5 в материалах международных научно-технических конференций и совещаний, 20 в российской центральной печати, 52 в материалах всероссийских и республиканских научно-технических конференций, 17 рукописей депонировано в Черметинформации и ВИНИТИ, 25 в межвузовских сборниках научных трудов, 5 информационных сообщений, 2 рекламных проспекта, 17 учебных пособий, 1 авторское свидетельство на изобретение 1569344 СССР, МКИ С21Д91/22, 1/09. №4425469/31-02 "Способ обработки инструментальных сталей".
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 38В страницах машинописного текста и состоит из введения; 11 глав основной части; заключения, содержащего общие выводы; списка литературных источников из 290 наименований; приложения, содержащего описание основных методик, обеспечивающих проведение
