Введение к работе
Актуальность проблемы.
Разработка и промышленное освоение новых методов поверхностной упрочняющей обработки и легирования позволяет создавать материалы, сочетающие износостойкую поверхность нанесенного покрытия и металлическую основу с заданным условиями эксплуатации уровнем свойств, что существенно повышает надежность и работоспособность изделий из инструментальных и конструкционных материалов, позволяет сократить затраты на производство и приобретение инструмента и деталей машин, увеличить производительность труда, улучшить качество механической обработки, уменьшить расход высоколегированных старей и т.д.
Существующие и промышленно освоенные методы нанесения покрытий имеют как достоинства, так и недостатки: недостаточная прочность сцепления покрытия с основой, пористость покрытия, высокий уровень остаточных напряжений, которые существенно снижают возможность их применение. .
Если термическая обработка покрытий производится при объемном нагреве изделий, то одновременно в структуре стальной основы может укрупняться зерно, понижаться твердость, при длительном термическом воздействии выгорают легирующие элементы покрытия. Это приводит к уменьшению твердости покрытий и снижению трещиностойкости изделия В целом.
Совершенствование продукции машиностроения затруднено без применения новых прогрессивных технологических процессов, позволяющих уменьшить или устранить перечисленные выше недостатки, повысить надежность, обеспечить работоспособность деталей машин и инструмента в самых жестких условиях эксплуатации, при высоких температурах и в агрессивных средах. Этим вызвано расширяющееся применение упрочняющих технологий в ведущих отраслях машиностроения и широкие исследования, проводимые в нашей стране в области разработки новых способов и технологий нанесения и поверхностной тепловой обработки покрытий.
Проведение термической обработки покрытий без деградации структуры и ухудшения основных свойств металлической основы изделий возможно при воздействии на поверхность концентрированных потоков энергии (КПЗ), в частности, импульсного лазерного излучения.
Лазерная технология обработки покрытий обладает большими технологическими возможностями. Регулируя параметры энергетического воздействия, а также толщину, состав и структурное состояние нанесенных покрытий можно добиться заданного распределения температур по сечению изделий и регулировать строение и свойства как покрытия, так и переходной зоны, а также прилежащего к покрытию слоя металлической основы изделий в соответствии с требованиями условий эксплуатации и конструктивнб-
технологическими характеристиками облучаемых деталей машин и инструмента.
Актуальность исследований в этом направлении обусловлена сложностью и недостаточной изученностью структурно-фазовых превращений в поверхностных слоях материалов в условиях скоростного нагрева и легирования с использованием КГБ из покрытий разного состава, а также недостаточным объемом сведений о влиянии формирующихся структур на основные свойства упрочненных изделий и о возможности адаптации поверхностно--закаленного металла к условиям трения за счет протекания гаммы химических и структурных превращений, стимулируемых энергией, поглощаемой и рассеиваемой в зоне контакта, что осложняет практическую применимость процессов упрочнения и легирования с использованием КПЗ для* повышения работоспособности деталей машин, инструмента и технологической оснастки.
В настоящей работе с научных позиций решается проблема оптимального использования концентрированных потоков энергии для поверхностной обработки и легирования сталей и сплавов. В частности, рассматриваются вопросы влияния энергетических характеристик и условий обработки на эффективность термообработки покрытий, а также изучаются особенности организации структуры покрытий разного состава в условиях гипернеравновесных фазовых переходов. На базе результатов систематических экспериментальных исследований процесса лазерного легирования сталей и сплавов из покрытий разного состава в работе созданы физические модели явлений, позволяющих конструировать структуру композиции «оплавленное покрытие - переходная зона - основной металл», обладающую заданным уровнем эксплуатационных свойств и трещиностойкостью. Рассмотрены также варианты вплавления в поверхностные слои сталей и сплавов твердых частиц разного состава из порошковых покрытий, покрытий, полученных электроискровым легированием, ионно-плазменным напылением, что позволило получить структурные композиции, адаптируемые к температур-но-силовым нагрузкам при эксплуатации или индифферентные к ним. Рассмотрен структурный механизм уменьшения хрупкости и повышения качества твердых сплавов и керамики за счет лазерного жидкофазного граничного спекания и легирования поверхностных слоев.
Основные результаты работы получены в период 2007-2010 г.г. при выполнении фундаментальных научно-исследовательских работ по программе Федерального агентства по науке и инновациям «Развитие системы ведущих научных школ» на тему «Разработка программного мониторинга структурной самоорганизации металлических сплавов при экстремальном баротермическом воздействии в упрочняющих технологиях», фундаментальных научно-исследовательских работ по заданию Федерального агентства по образованию Минобрнауки России в рамках ЕЗН ДГТУ «Создание системы
новых научных знаний о возможности получения наноструктурных состоя^ ний за счет применения комбинированных методов лазерной, плазменной и объемной термической обработки при внешних механическом, ультразвуковом, магнитном и других воздействиях с целью разработки инновационных технологий упрочнения сталей и сплавов».
Цель работы. Разработка технологических принципов лазерного легирования изделий различного функционального назначения из покрытий разного состава на основе изучения структурной организации композиции «покрытие - металлическая основа» при высокоэнергетическом лазерном воздействии, обеспечивающем заданный уровень эксплуатационных свойств. Научная новизна Научная новизна диссертационной работы заключается в получении следующих научных результатов:
-
Металлофизическими методами показана возможность получения спектра структурных состояний в композиции «химические, гальванические, порошковые покрытия - переходная зона - металлическая подложка» путем импульсной лазерной обработки с оплавлением поверхности; установлено, что, в отличие от объемного нагрева, при этом сохраняются исходная структура и свойства подложки в целом, формируется переходной диффузионный слой большей глубины, в облученном покрытии достигаются высокие твердость и износостойкость; уменьшается уровень напряжений и опасность трещинообразования вследствие протекания в тонком, прилежащем к покрытию слое металлической подложки высокотемпературного отпуска или рекристаллизации.
-
Вскрыт механизм и объяснена природа ускоренного массопереноса в переходной зоне от покрытия к металлической подложке при гиперскоростной лазерной обработке, обусловленного несколькими причинами, в том числе большими значениями коэффициентов диффузии атомов в оплавленном покрытии, его конвективным перемешиванием (эффект Марангони), а также высокими градиентами температур в облученных зонах после кристаллизации покрытий (термодиффузия Соре).
-
Количественная оценка элементов структуры в зонах лазерной обработки- покрытий с использованием сканирующей зондовой микроскопии и программы компьютерной обработки изображений позволила выявить взаимосвязь исходного строения покрытий с эволюционирующей при лазерном воздействии структурой; показано, что лазерное облучение на оптимальных режимах приводит к диспергированию структурных составляющих покрытий (твердых растворов, химических соединений, интерметаллидов, карбидов, нитридов), что является доминирующей причиной повышения их механических и эксплуатационных свойств.
-
С использованием математического моделирования разработаны и подтверждены экспериментально принципы прогнозирования механических, технологических и эксплуатационных свойств покрытий, полученных элек-
троискровым легированием, ионно-плазменным напылением, химических, гальванических, порошковых покрытий на сталях и сплавах при лазерной обработке с разной плотностью мощности излучения; обоснованы оптимальные режимы лазерного облучения покрытий разного состава для изделий различного функционального назначения. Практическая ценность и реализация работы в промышленности,
В диссертации изложены научно обоснованные технологические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса. В частности, установлены основные технологические схемы лазерного упрочнения; даны рекомендации по практической реализации технологического процесса лазерного легирования деталей машин и инструмента из покрытий разного состава.
Разработанный в результате теоретических и экспериментальных исследований технологический процесс упрочнения изделий различного функционального назначения апробирован на ряде предприятий: ЗАО «РЗ СИТО» (г.Ростов-на-Дону ), ОАО «Тагмет» (г.Таганрог), ООО "Металлообрат ботка" (г.Ростов-на-Дону), ОАО «Донпрессмаш» (г.Ростов-на-Дону).
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе в виде содержательной части текстов лекций, учебных пособий, раскрывающих теоретические и технологические особенности методов поверхностного легирования материалов концентрированными потоками энергии из покрытий разного состава; при чтении курсов "Упрочнение поверхности концентрированными потоками энергии", "Теория и технология термической и химико-термической обработки".
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены за период с 2008 по 2010 год на 10 международных научно-технических конференциях, в том числе: VI международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века» (Пенза, 2008), 10-й международной научно-практической конференции «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки» (Санкт-Петербург, 2008), IV международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в современном машиностроении» (Пенза, 2008), VI международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века» (Пенза, 2009), VI международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в современном машиностроении» (Пенза, 2010), VIII международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века» (Пенза, 2010), IX международной научно-технической конференции «Инновации, экология и ресурсосберегающие технологии на преприятиях машиностроения, авиастроения, транспорта и сельского хозяйства» (Ростов-на-Дону, 2010).
Публикации результатов исследований. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендуемых ВАК для опубликования результатов научных исследований.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 234 страницах машинописного текста и состоит из введения; 8 глав основной части; выводов; списка литературных источников из 137 наименований; приложения, содержащего результаты математического моделирования те-плофизических процессов при лазерной обработке различных покрытий и документы об использовании технологического процесса лазерного легирования в производстве. В тексте диссертационной работы содержится 170 рисунков и 3 таблицы.
