Введение к работе
Актуальность работы. Технология лазерного поверхностного легирования представляет собой сочетание микрометаллургического процесса выплавки сплава заданного состава непосредственно на поверхности изделия с последующей сверхбыстрой закалкой оплавленного слоя. В отличие от других известных разновидностей метода закалки из жидкого состояния конечный результат лазерной обработки в гораздо большей степени зависит от природы, а дополнительно и от структурного состояния обрабатываемого материала, что объясняется следующими двумя обстоятельствами.
Во-первых, скорость охлаждения оплавленной лазером зоны лимитируется тепловыми свойствами подложки, поскольку основной поток тепла отводится в ее глубинные слои. Во-вторых, формирование структуры в очаге лазерного воздействия происходит в условиях идеального контакта расплаєа со структурными составляющими базового материала, которые могут играть активную роль затравочных фаз, предопределяя строение зоны обработки.
Однако, в современных исследованиях физическому пониманию механизмов структурообразования в специфических условиях лазерной сверхбыстрой закалки не уделяют должного внимания. В частности, практически отсутствует информация о влиянии на строение и свойства зоны лазерной обработки исходного структурно-фазового состояния обрабатываемого материала.
Помимо чисто научного интереса, связанного с изучением закономерностей формирования структуры, лазерная обработка приобретает все большую актуальность как эффективный способ улучшения свойств поверхностных слоев технических материалов. Разработанные применительно к сталям режимы лазерного упрочнения в большинстве случаев основаны на использовании фазовых превращений, протекающих в твердом состоянии. В то же время возможности образования предельно метастабильных структурных состояний, заложенные в методах лазерного оплавления и легирования поверхности, в плане их практического использования изучены недостаточно. Это требует постановки дальнейших исследований по выбору оптимальных видов и режи-
мов лазерного упрочнения стальных изделий.
С учетом изложенного были сформулированы цель работы и основные задачи исследования.
Цель работы: изучение механизмов формирования структуры и свойств в поверхностных слоях сталей, подвергнутых лазерному легированию, во взаимосвязи с режимами обработки и структурно-фазовым состоянием матричного материала.
Основные вадачи исследования.
-
На примере сталей серийного производства и традиционных видов химико-термичесой обработки изучить специфику структурного состояния и сеойств поверхностных слоев, насыщенных легирующими элементами методом лазерного оплавления порошковых покрытий.
-
Провести комплексные исследования влияния технологических факторов и структурно-фазового состояния матричного материала на геометрические и структурные характеристики, а также свойства зоны лазерного легирования.
-
Основываясь на результатах экспериментальных исследований, выполнить анализ механизмов формирования структуры и упрочнения сталей, подвергнутых лазерному легированию.
-
Установленные закономерности использовать с целью выбора наиболее эффективных видов и режимов лазерного поверхностного упрочнения стальных изделий.
Научная новизна.
-
В работе впервые выполнены комплексные исследования структуры и свойств сталей, насыщенных бором методом лазерного поверхностного легирования, в зависимости не только от технологических факторов, но также и от структурно-фазового состояния обрабатываемого материала.
-
Впервые получены экспериментальные доказательства активного участия некоторых матричных фаз в процессах кристаллизации оплавленного лазером поверхностного слоя.
-
С использованием метода Оже-электронной спектроскопии впервые изучен характер распределения бора по глубине зоны лазерного легирования и предложен механизм возникновения выявленной зональной ликвации насыщающего элемента.
Практическая ценность и реализация результатов работы. 1. Получены графические вависимости,связывающие техноло-
- Б -
гические факторы с геометрическими характеристиками и свойствами зоны лазерного борирования, которые позволяют выбирать условия обработки, обеспечивающие заданные глубину и уровень упрочнения борированной поверхности.
-
Определены показатели твердости и стойкости к абразивному износу для сталей разных марок, подвергнутых лазерному насыщению бором.
-
Предложен метод многократного оплавления, сглаживающий проявление структурной неоднородности в лазерно-легированных слоях с высоким содержанием насыщающего элемента.
-
Отработаны технологические процессы лазерного упрочнения дисковых фрез и СЕерл из стали Р6М5, дающие повышение стойкости до 3,7 раз в сравнении с инструментом серийного производства.
5. Результаты структурных исследований использованы в качестве фактической основы методических указаний к лабораторной работе "Влияние лазерной термической обработки на структуру и свойства углеродистых сталей", которая внедрена в учебный процесс в Днепродзержинском государственном техническом университете.
Основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту.
-
При реализации технологии лазерного поверхностного легирования структура боны лазерного воздействия определяется не только режимами обработки, но обнаруживает также признаки наследственной вваимосвяви с элементами микроструктуры обрабатываемого материала.
-
Результирующая картина распределения насыщающего элемента в нормальном сечении зоны лазерного легирования в основных чертах, складывается под влиянием процессов кристаллизации дендритов твердого раствора, прорастающих от границы оплавления в условиях интенсивного и направленного тешгаот-вода.
-
Сочетание относительной однородности микроструктуры с высоким содержанием бора и соответствующим уровнем упрочнения может быть достигнуто методом повторного оплавления лазерно- легированной поверхности.
- є -
Апробация работы. Ревультаты исследований докладывались на: III Всесоюзной конференции "Закономерности формирования структуры сплавов эвтектического типа", г.Днепропетровск, май, 1986 г.
Всесоюзной научно-технической конференции "Новые материалы и упрочняющие технологии на осноеє прогрессивных методов термической и химико-термической обработки в автостроении", Г.Тольятти, сентябрь, 1986 г.
Межреспубликанской конференции "Свойства порошковых материалов и покрытий", г.Волгоград, октябрь, 1989 г.
Межреспубликанском семинаре "Легирование, структура и свойства упрочненных сталей", Г.Киев, март, 1993 г.
Международной конференции "Лазерные и физико-химические методы обработки материалов", Крым, сентябрь, 1995 г.
Международной конференции "Организация и технология ремонта механизмов машин и оснастки", Крым, май, 1996 г.
Личный вклад автора. Представленные в диссертации результаты получены при непосредственном участии автора в постановке и проведении экспериментов, а также в ходе обработки, обобщения и теоретической интерпретации экспериментальных данных, формулировки выводов и основных положений, выносимых на защиту. Объяснение механизмов структурообразования, концентрационного поля и свойств в зоне лазерного влияния является отображением личных представлений автора о закономерностях процессов, развивающихся в поверхностных слоях обрабатываемого материала при реализации технологии лазерного поверхностного легирования.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 научных трудоЕ, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и перечня цитируемой литературы изіОонавБ. Общий объм работы составил страниц, в том числе 42 рисунков и 15 таблиц, а также приложения на Ц страницах.
