Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА І. Современное состояние и основные научные проблемы при разработке лазерных технологий поверхностной обработки металлических материалов на основе использования непрерывного лазерного излучения . 16
1.1. Анализ использования лазерных технологий и основные научные проблемы применения лазерного излучения для повышения прочности и износостойкости поверхностных слоев изделий 16
1.2. Тепловое воздействие на материал при лазерной обработке 25
1.3. Особенности влияния сверхскоростного нагрева и охлаждения на фазовую перекристаллизацию сталей 29
1.3.1. Причины возникновения склонности к замедленному разрушению лазерно-обработанных зон 32
1.3.2. Поведение диффузионно-подвижного водорода в зоне лазерного воздействия при обработке металлических материалов... 35
1.4. Современное состояние и анализ научных положений и технологических процессов лазерного легирования поверхности металлических материалов 40
1.5. Современное состояние и анализ научных проблем процессов лазерной наплавки 46
1.6. Расчетные методы прогнозирования и оценки структуры поверхностного слоя сталей при лазерном воздействии 50
Выводы по главе 1, цель и задачи исследования 52
ГЛАВА 2. Материалы, оборудование и методы проведения исследований 56
2.1. Обоснование выбора материалов для исследований 56
2.2. Предварительная (объемная) термическая обработка и характеристики оборудования для лазерной обработки образцов
2.3. Металлографические методы исследования структуры зоны лазерного воздействия
2.4. Методы измерения твердости
2.5. Исследования фазового состава и тонкой структуры зоны лазерного воздействия..
2.6. Анализ водорода в сталях при лазерной обработке
2.7. Определение релаксационной способности и плотности образцов
2.8. Испытания механических свойств и износостойкости сталей
2.9. Статистические методы обработки результатов измерений
Выводы по главе 2
ГЛАВА 3. Формирование микроструктуры и свойств при лазерной обработке металлических материалов в непрерывном режиме излучения
3.1. Исследование строения, величины и свойств зон термического упрочнения сталей 45, У8А, У10А, 9ХС, ХВГ и ХЇ2ФІ с исходными микроструктурами, близкими к равновесным
3.2. Исследование причин образования поверхностных трещин при лазерной закалке
3.3. Испытания механических свойств и износостойкости сталей после лазерного термического упрочнения
3.3.1. Испытания механических свойств и определение предельных удельных усилий, выдерживаемых лазерно-упрочненной поверхностью
3.3.2. Испытания износостойкости сталей после лазерного термического упрочнения их поверхности
Выводы по главе 3 148
ГЛАВА 4. Формирование структуры и свойств металлических материалов при лазерном легировании и лазерной наплавке в не прерывном режиме излучения і 50
4.1. Исследование структуры и свойств сталей 45, У8А и 6ХС при лазерном легировании никелем, молибденом, вольфрамом,
хромом, бором и боридом вольфрама при непрерывном лазерном воздействии 150
4.2. Влияние легирующей обмазки на формирование глубины зоны легирования 179
4.3. Исследование структуры и свойств поверхности при однослойной лазерной наплавке порошками инструментальных сталей ПР-ШР6М5, ПР-І7Х5ВЗМФ5С и порошками на основе никеля ПГ-СР2, ПГ-СР4 182
4.3.1. Влияние объемной термической обработки и дополнительной лазерной обработки на микроструктуру и свойства наплавленных слоев і 92
4.3.2. Анализ фазового состава наплавленных слоев 214
4.4. Исследование структуры и свойств поверхности при мно гослойной лазерно-порошковой наплавке 219
Выводы по главе 4 225
ГЛАВА 5. Развитие физических и математических моделей теплофизических процессов при лазерной обработке поверхности металлических материалов 226
5.1. Математическая модель диффузии водорода для двухфаз ного состояния в зоне лазерного воздействия 226
5.2. Физическая модель диффузии водорода и причины ох-рупчивания зоны лазерного воздействия 227
5.3. Математическая модель процесса лазерного легирования поверхности стали металлическими компонентами 232
5.3.1 Тепловые потоки и массоперенос в зоне лазерного легирования 233
5.3.2. Математическая модель связи теплового поля и распределения компонентов по глубине при лазерном легировании 23 7
5.3.3. Расчет распределения изотерм температурного поля в поверхностном слое при лазерном легировании 244
Выводы по главе 5 25 І
ГЛАВА 6. Производственное освоение производственных упрочняющих технологий (поверхностная закалка, легирование, на плавка) на основе использования непрерывного лазерного излучения 252
Выводы по главе 6 280
Общие вы воды. 283
Список литературы
- Тепловое воздействие на материал при лазерной обработке
- Металлографические методы исследования структуры зоны лазерного воздействия
- Испытания механических свойств и определение предельных удельных усилий, выдерживаемых лазерно-упрочненной поверхностью
- Влияние объемной термической обработки и дополнительной лазерной обработки на микроструктуру и свойства наплавленных слоев
Введение к работе
Актуальность проблемы. Важнейшей проблемой машиностроительных отраслей промышленности является энергс- и ресурсосбережение, создание высокоэффективных технологий, обеспечивающих требуемые эксплуатационные свойства изделий на основании исполь-. зования достижений науки и техники в области новых технологических приемов поверхностной обработки, в том числе и с применением в качестве внешнего источника нагрева высококондентрированного лазерного излучения.
Вопросам формирования структуры и свойств в металлических материалах в условиях лазерного нагрева посвящены научные труды А.Г. Григорьянца, Г.А. Абильсиитова, B.C. Коваленко, Н.Н. Рыкалина, А.А. Углова, А.Н. Сафонова, А.Н. Кокоры, С.А. Астапчика, Л.И. Мир-кина, А.А. Веденова, Г.Т. Гладуш, B.C. Крапошина, В.М. Андрияхина, М.Ф. Стельмаха, Д.Н. Гуреева, Г.И. Бровер, Г. Кебнера, Г. Эберхардта, В. Аменде, Дж. Рэди и др.
Это направление является весьма перспективным для поверхностного термического упрочнения деталей машин, технологической оснастки и металлообрабатывающего инструмента. При этом появляется возможность целенаправленной организации микроструктуры поверхности изделий за счет ориентированной кристаллизации, формирования определенных структурных композиций, локальной химико-термической обработки и, как следствие, получения нового повышенного комплекса физико-механических, химических и эксплуатационных свойств. При использовании лазерной наплавки или лазерного легирования изделия могут изготавливаться из дешевых широко используемых материалов, а дорогие и дефицитные компоненты расходуются только на создание упрочненного поверхностного слоя в локальных участках изделий.
Однако, в настоящее время способы обработки поверхности изделий с использованием лазерного излучения в отечественной промышленности широко не применяются в следствие недостаточной изученности общих закономерностей изменения свойств высокоуглеродистых и легированных сталей в зависимости от фазового и структурного состояния при термическом упрочнении, легировании и наплавке различных материалов в условиях высоких скоростей нагрева и охлаждения что сдерживает разработку конкретных рабочих лазерных технологий и рекомендаций прикладного характера.
Работа выполнялась в соответствии с Общероссийской
межвузовской научно-технической программой "Университеты России" (Технические университеты), раздел "Фундаментальные исследования в технических университетах", утвержденной приказом Госкомвуза РФ (Единый заказ-наряд № 84) и по Федеральной целевой программе "Интеграция", в рамках Нижегородского учебно-научного центра "Физические технологии в машиноведении".
Цель и задачи исследований. Развитие научных основ эффективных методов упрочнения поверхности металлических материалов, за счет использования непрерывного лазерного нагрева, установление общих закономерностей на основе новых экспериментальных данных о строении и свойствах материалов и разработка на этой основе лазерных технологических процессов термоупрочнения, легирования и наплавки деталей, технологической оснастки и инструмента для повышения их работоспособности и экономии материальных и энергетических ресурсов.
Достижение цели потребовало решения следующих задач:
-
На основе анализа известных теоретических представлений и экспериментальных результатов определить оптимальные варианты, схемы обработки и методы исследований процессов формирования микроструктуры, происходящих в металлических материалах (конструкционных и инструментальных сталях) с различным исходным состоянием структуры при непрерывном лазерном воздействии на их поверхность.
-
Провести комплексные исследования взаимосвязи структуры и свойств сталей 45, У8А, У10А, 6ХС, 9ХС, ХВГ, Х12Ф1, 13Х15Н4АМЗ с различной исходной микроструктурой в зонах лазерного воздействия, сформированных при различных вариантах, условиях и энергетических параметрах непрерывного лазерного излучения, используемого с целью достижения термического упрочнения, легирования и наплавки.
-
Развить физические модели процессов формирования структур, выхода и перераспределения диффузионно-подвижного водорода между фазами, образующимися в поверхностном слое металлических материалов при непрерывном лазерном воздействии.
-
На базе экспериментальных данных разработать математические модели физических процессов, происходящих в поверхностном слое металлических материалов при лазерном воздействии, позволяющие при прогнозировании и описании исследуемых процессов отразить реальную картину формирования структуры и свойств в обрабатываемых изделиях.
5. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработать и внедрить в производство лазерные технологии термического упрочнения, легирования и наплавки для деталей машин, технологической оснастки и инструмента.
Научная новизна диссертационной работы. Получен ряд новых научных результатов, среди которых наиболее важными можно выделить следующие и которые автор защищает:
-
Сформулированы закономерности изменения фазового и структурного состояний и характеристик физико-механических свойств в поверхностных слоях сталей 45, У8А, У10А, ХВГ, 9ХС. Х12Ф1, 13Х15Н4АМЗ при тепловой обработке с использованием в качестве источника нагрева непрерывного лазерного излучения, включающие: влияние условий и энергетических характеристик лазерного воздействия на особенности формирования гетерогенной структуры сталей, обусловленные неоднородностью распределения в ней плотности мощности движущегося лазерного излучения; влияние типа исходной структуры сталей на глубину распространения изотерм теплового поля, обеспечивающих получение лазерно-закаленного слоя; образование концентрационного расслоения твердого раствора и формирование концентрационно-неоднородных микроучастков в структуре сталей в условиях лазерного нагрева.
-
Описано поведение диффузионно-подвижного водорода в процессе фазовых превращений, происходящих в поверхностном слое при лазерном термическом цикле, включающее: влияние условий лазерной обработки на процесс диффузионного распределения водорода; снижение активности перераспределения водорода вследствие повышения количества остаточного аустенита при лазерной закалке с предварительным подогревом обрабатываемых изделий; влияние распада насыщенного водородом метастабильиого остаточного аустенита на трещиностойкость лазерно-закаленных зон.
3. Установлено влияние энергетических характеристик и условий
обработки на процессы формирования структуры при лазерном леги
ровании и наплавке, включающие: влияние теплофизических характе
ристик легирующих или наплавляемых компонентов на особенности
формирования зоны легирования с равномерным распределением ле
гирующих компонентов и образованием структур типа твердых рас
творов и механических смесей вследствие конвективного массоперено-
са; прохождение интенсивной перекристаллизации, измельчение
структуры и уплотнения наплавленного материала при дополнитель
ной лазерной обработке лазерно-наплавленных слоев.
4. На основе новых экспериментальных данных развиты физиче
ские модели процессов формирования структур упрочнения и легиро
вания поверхности сталей, а также выхода и перераспределения диф
фузионно-подвижного водорода между фазами, образующимися в по
верхностном слое при непрерывном лазерном воздействии.
-
Разработаны математические модели тешюфизических процессов, обеспечивающих заданную глубину и форму расположения изотерм и концентрационного распределения легирующих компонентов, используемые для расчетов режимов лазерной обработки и прогнозирования свойств обработанных поверхностей материалов и изделий.
-
Научная новизна подтверждена 5 патентами и 5 авторскими свидетельствами, полученными на конкретные решения научного и прикладного характера, выявленные и обоснованные при выполнении диссертационной работы.
Достоверность полученных результатов подтверждаегся обоснованностью принятых допущений, обоснованностью методов расчета и моделирования, а также успешной реализацией разработанных технологий в промышленном производстве.
; Практическая ценность и реализация работы в промышленности. 1. Установленные общие закономерности влияния параметров лазерной обработки в непрерывном режиме излучения на эффективность термического упрочнения, легирования и наплавки позволяют производить целенаправленное воздействие на процесс формирования структуры и создавать оптимальные свойства поверхностных слоев, наиболее приемлемые для различных условий эксплуатации, в том числе:
-
Разработаны и внедрены технологии термического упрочнения готовых деталей (валы, штоки, втулки, пальцы, шатуны, шестерни и др.), режущего инструмента (фрезы, сверла, метчики, протяжки, пилы, ножи и др.), штампов (формовочных, гибочных, вырубных, вытяжных) из сталей 45, У8А, У10А, 9ХС, ХВГ, Х12Ф1 в непрерывном режиме лазерной обработки (а.с. 1689396, пат. №2033437, №2033435, №2032504 и №2121004).
-
Установлены оптимальные технологические параметры лазерной закалки штампов из сталей 45, У8А, У10А, 9ХС, ХВГ, Х12Ф1 с исходной структурой, близкой к равновесной (после нормализации), позволяющие получить на контактных поверхностях матриц и пуансонов упрочненный слой, обеспечивающий необходимую прочность и износостойкость (пат. №2047447, №2033435, №2121004).
1 1.3. Разработаны и внедрены технологии лазерной порошковой наплавки инструментальными штамповыми и высокоизносостойкими материалами на никелевой основе при изготовлении режущего инструмента (дисковые пилы, ножи, массивные торцевые фрезы и др.) и восстановлении изношенных деталей (коленчатые валы, оси, шпиндели, опорные кольца и др.) (а.с. № 1530922).
1.4. Установлены оптимальные параметры, разработана и внедрена технология лазерного легирования, повышающая в 1,5-2,0 раза износостойкость поверхностного слоя изделий (ножи, качалки, оси, втулки и др.) при одновременном снижении затрат на используемые материалы.
-
Для определения необходимых параметров лазерного воздействия с целью получения оптимальной структуры и физико-механических свойств поверхности изделий при лазерном легировании разработана математическая программа, позволяющая осуществлять оперативный контроль и корректировку заданных параметров.
-
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе при проведении лекционных и практических занятий по курсам: "Материаловедение", "Проектирование процессов тепловой обработки материалов", "Высокознергетическяе методы обработки материалов", "Научные основы выбора материалов и технологии изготовления изделий".
-
Многолетние научно-исследовательские работы, подготовка инженерных и научных кадров, реализация научных разработок, проводимые под руководством и непосредственном участии автора диссертации позволило при содействии Лазерной Ассоциации Российской Федерации на базе лазерной лаборатории Нижегородского государственного технического университета создать "Нижегородский региональный лазерный центр".
-
Полученные научные результаты послужили основой для организации на ряде предприятий и учреждений Нижегородского региона специализированных лазерных участков, оснащенных лазерными технологическими установками (ОАО "Завод "Красное Сормово", ОАО "НИИТМ "Сириус", ОАО Торьковский металлургический завод". Нижегородский государственный технический университет). Разработанные технологии лазерного термического упрочнения, легирования и наплавки апробированы и внедрены на предприятиях различных отраслей: ОАО "Завод "Красное Сормово", ОАО "Павловский автобус", ОАО 'Торьковский металлургическкй завод", ОАО "Выксунский металлургический завод", ОАО "Нижегородский авиастроительный завод
"Сокол" и др. Суммарный годовой экономический эффект от внедрения разработанных лазерных технологий, в которых были использованы теоретические и экспериментальные результаты данной диссертации составил более 1200 тыс. руб.
Личный вклад соискателя. Основные положения, выводы и рекомендации принадлежат автору, который выбрал научно-техническое направление, определил цель и задачи исследований. Автор также провел аналитические и экспериментальные исследования структуры и свойств материалов после различных способов обработки с использованием в качестве внешнего источника локального нагрева мощного непрерывного лазерного излучения, установил основные зависимости структуры и свойств обрабатываемых материалов, на базе которых развиты модели структурно-фазовых процессов, происходящих в материалах при различных энергетических параметрах лазерного воздействия. Кроме этого, автор разработал и внедрил лазерные технологии поверхностной обработки различных изделий на ряде предприятий, определил пути дальнейшего развития научных исследований в данном направлении. Работа, связанная с рядом исследований и решением технологических и внедренческих проблем, проведена совместно с коллективами ОАО "НИЙТМ "Сириус" и кафедры "Материаловедение и технологии новых материалов" НГТУ. Участие соавторов работ отражено в совместных публикациях, представленных в автореферате, а также в постановке четырех кандидатских диссертаций (Квасов М.И., Голованов А.Л., Костромин СВ., Горшкова Т.А.), при выполнении которых автор осуществлял научное консультирование.
Апробация работы. Основные экспериментальные и научные положения диссертации доложены и обсуждены за период с 1989 по 2000 годы на 14 научно-технических конференциях и семинарах, в том числе: зональной конференции "Современные достижения в теории и технологии пластической деформации металлов, термообработки и повышения долговечности изделий", г.Н. Новгород, 1989г., Всесоюзной научно-технической конференции "Пути повышения стойкости и надежности режущих и штамповых инструментов", г. Николаев, 1990г., межреспубликанском семинаре "Новые разработки и опыт внедрения лазерной техники и технологии", г. Ужгород, 1990г., семинаре "Пути повышения стойкости штампов и формообразующего инструмента", г. Москва, 1992г., региональной научно-технической конференции "Прогрессивные технологии - основа качества и производительности обработки изделий", г.Н. Новгород, 1995г., международной научно-технической конференции "Материаловедение в машиностроении",
г.Н. Новгород - Мюнхен, 1996г., региональной научно-технической конференции "Проблемы машиноведения", г.Н. Новгород, 1997г.; научно-технической конференции "Лазерная технология и средства ее реализации", г. С.-Петербург, 1997г., научно-технической конференции "Управление строением отливок и слитков", г.Н. Новгород, 1998г., научно-технической конференции "Материаловедение и высокотемпературные технологии", г.Н. Новгород, 1999г., научно-практической конференции "Ядерные технологии для неядерного рынка", г.Н. Новгород, 1999г., научно-технической конференции "Материаловедение и высокотемпературные технологии", г.Н. Новгород, 2000г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано научные работы, в том числе 5 авторских свидетельств и 5 патентов.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов и приложения; содержит 159 страниц машинописного текста, 121 рисунок, 19 таблиц и библиографический список, включающий 320 наименований.
Тепловое воздействие на материал при лазерной обработке
Зона верхнего поясного шва сварных подкрановых балок является динамически нагруженной и в настоящее время при тяжелом режиме работы кранов (8К...7К) [23] усталостные трещины появляются в ней преждевременно через 2-3 года интенсивной эксплуатации (600...500 тысяч циклов в год). Усталостные трещины появляются даже при качественном выполнении поясного сварного шва, то есть проплавлений стенки на всю толщину, отсутствии непроваров, подрезов, шлаковых включений, вогнутом с плавными переходами к основному металлу шва [6]. В этом случае эффективные коэффициенты концентрации напряжений минимальны [10,с.137]. В случае же появления непроваров или других дефектов эффективные коэффициенты концентрации напряжений резко возрастают достигая четырех единиц и более и резко снижают долговечность.
Экспериментальные и теоретические исследования [36] показали, что выносливость верхней повреждаемой зоны подкрановых балок следует проверять по трем площадкам, ориентированным следующим образом: первой параллельной верхнему поясному шву и пересекающей стенку под углом 45; второй - перпендикулярной поясному шву и пересекающей его под углом 45; третьей - параллельной поясному шву и перпендикулярной стенке балки.
Проверку выносливости по всем площадкам следует проводить в поверхностном слое стенки балки со стороны эксцентриситета рельса. Непро-вары в поясном шве недопустимы, так как в этом случае выносливость соединения снижается в несколько раз.
Технико-экономический эффект от применения подкрановых балок высокой выносливости складывается из следующих факторов: 1. Снижение затрат труда на изготовление одной 12-и метровой балки; 2. Экономии металла из-за ликвидации ребер жесткости и изменения конфигурации верхнего пояса (сдвигоустойчивое соединение рельса и верхнего пояса); 3. Уменьшение стоимости изготовления за счет пунктов 1 и 2; 4. Экономия у потребителя из-за увеличения срока службы новой конструкции.
Эффект рассчитывался как удельный, то есть отнесенный к одной балке или на единицу длины ее. Расчет произведем для рельсобалочной конструкции. Расчет снижения затрат труда при изготовлении одной балки Сокращение трудовых затрат возникает в результате ликвидации рабочих операций: а) по изготовлению и приварке ребер жесткости; б) по изготовлению и приварке тормозной балки. Экономия затрат рабочего времени посредством исключения операций раскроя стальных пластин для тормозной балки. Экономия рабочего времени определяется по формуле:
Экономия затрат рабочего времени посредством исключения операций раскроя ребер жесткости определяется по той же формуле (1), с той лишь разницей, что а=0.2 м - ширина ребра жесткости; 6=1.5 м - длина ребра; л=8 -число ребер на двух сторонах одной балки прототипа, при условии установки их через 1.5 метра.
Экономия затрат рабочего времени из-за исключения ручной приварки 18-и ребер для балки новой конструкции. Экономия рассчитывается по формуле: Экономия затрат рабочего времени исключением ручной приварки тормозной балки к верхнему поясу для балки новой конструкции. Экономия рассчитывается по формуле:
На основании этого рассчитываем прирост производительности труда при переходе к изготовлению разработанных балок. ЛЯ = 100 (тнрорм -Тр)/Тр (4) ДЯ = 100-(Ю0-88.87)/88.87=12.52%. Таким образом, при всех прочих равных условиях, производительность труда при заводском изготовлении разработанных балок должна возрасти на 12.52%. П.5.1.2. Расчет экономии металла при заводском изготовлении разработанных балок Ребра жесткости: на прототипе устанавливается 18 ребер из листовой стали толщиной =10 мм. Масса металла Мх = a-b-g -п = 0.2 -1.5 -0.01 -7.85 -18 = 0.424 тонны, где g - масса стали. Тормозная балка: Масса металла M2=a-b-g-n = 0.9-12- 0.004 -7.85-1 = 0.333 тонны, В нашем случае возникает экономия металла: Эм =M +M2 =0.424 + 0.333 = 0.757 тонны. То есть экономия металла при заводском изготовлении составляет 0.757 тонны на каждой балке. П.5.1.3. Уменьшении стоимости изготовления разработанной балки Экономия стоимости изготовления складывается из сокращения затрат на работу сварочного агрегата и трудовых затрат электросварщика 4-го разряда. 164 Согласно формулам (2) и (3) экономия времени на сварочных работах составит 6.054 чел. часа. Это экономия трудовых затрат сварщика и машинного времени сварочного агрегата. Стоимость одного машинного часа в ценах 1984 года составляет 0.3руб. заработная плата электросварщика 4-го разряда составляет 2.50 руб. за человекочас. Тогда: Э = (0.30 + 2.50)- 6.054 = 16.95 руб. Экономия финансовых ресурсов за счет сокращения расхода металла: Э = 0.757 Д = 0757 -143 = 108.251 руб. где Ц - цена одной тонны листовой стали толщиной. Общая экономия финансовых ресурсов при заводском изготовлении одной балки составит: Эбщ =16.95 + 108.251 = 125.201 руб. Таким образом, у изготовителя переход к производству разработанных подкрановых балок будет сопровождаться следующими положительными технико-экономическими факторами: - возрастает производительность труда на 12.52 %; - на каждом изделии будет экономиться 0.757 тонны листовой стали и 125.201 руб. денежных средств в ценах 1984 года. П.5.2. Расчет эффективности амортизирующих креплений
Применение предлагаемого в диссертации способа крепления рельса к подкрановой балки а.с. 2128265 позволяет увеличить срок службы как самого крепления так и всего подкранового пути, включая подкрановые балки, по сравнению с традиционными решениями увеличивается в 1.8-2.0 раза.
Нормативный срок амортизации конструкций подкрановых путей составляет 6-8 лет, средняя величина 7 лет. Тогда амортизационный срок эксплуатации изделия разработанных автором можно вычислить как ожидае 165 мый, предполагая, что они будут эксплуатироваться в аналогичных условиях с существующими (базовыми). Поэтому этот срок будет равен 14 годам.
Таким образом, при применении амортизирующих креплений рельса к балке у потребителя возникает годовой экономический эффект в размере 105.55 руб. на каждый метр установленных конструкций. Общая величина экономического эффекта будет зависеть от объема внедрения.
Металлографические методы исследования структуры зоны лазерного воздействия
По сравнению с печным лазерный термический цикл характеризуется чрезвычайно малым временем и, как следствие, незавершенностью процессов растворения карбидов [72], диффузионного перераспределения углерода [73, 74] и рекристаллизационных процессов [75, 76].
Неоднородность образующегося аустенита приводит к неоднородности мартенсита закалки и увеличению доли пластинчатого мартенсита [77, 78], повышению микротвердости за счет возникновения значительных микроискажений [79, 80] и, как следствие, возможному появлению трещин в упрочненном слое [81, 82].
Поскольку скорости охлаждения при лазерной закалке (103-104С/с) намного превышают критические скорости закалки сталей, то образуется мартенситная структура, обладающая особенной чувствительностью к последующему распаду. При этом заметной устойчивостью к самоотпуску обладает лишь высокоуглеродистый пластинчатый мартенсит [83]. В реечном же мартенсите с содержанием углерода менее 0,4% в процессе у—»а превращения развиваются процессы самоотпуска, снижая тем самым склонность стали к трещинообразованию [84]. Вместе с тем, не всегда низкую трещиностойкость сталей при лазерной закалке можно объяснить наличием в структуре только высокоуглеродистого мартенсита [85, 86]. Результаты влияния остаточного аустенита на свойства сталей весьма неоднозначны, т. к. переохлажденный аустенит обладает способностью к превращению в мартенсит под действием растягивающих напряжений [87] и динамических нагрузок [88]. Необходимо отметить, что если влияние остаточного аустенита на эксплуатационные характеристики сталей изучены достаточно подробно, то данных о влиянии остаточного аустенита на тре-щинообразование в зоне лазерной закалки практически нет.
Вместе с тем приведенные экспериментальные данные [89] свидетельствуют о зависимости количества остаточного аустенита в зоне лазерного воздействия от содержания углерода в стали. Противоречивость некоторых результатов можно объяснить несопоставимостью условий экспериментов: различными размерами образцов, применением разных типов поглощающих покрытий и неодинаковыми параметрами лазерной обработки (с плавлением или без плавления поверхности стали).
При возрастании температуры нагрева увеличивается степень растворения в аустените углерода и других легирующих элементов, что повышает устойчивость аустенита, вызывая повышение мартенситнои точки Мн и одновременно увеличивая размеры зерна. В работах [90-95] показано, что при лазерном нагреве стали конечный размер зерна существенно зависит от скорости нагрева, а также от равновесности и упорядоченности исходной структуры. Однако, в целом вопрос о влиянии состава и дисперсности исходной структуры на содержание остаточного аустенита в зоне лазерного воздействия остается недостаточно изученным.
Повышение степени фазового наклепа при ускоренном нагреве оказывается недостаточным для подавления первичной рекристаллизации, но, в то же время, предотвращает развитие собирательной рекристаллизации. При ускоренном нагреве процессы фазовой и структурной перекристаллизации протекают одновременно, общность ориентировки фаз утрачивается, что приводит к измельчению исходного зерна. Легирующие элементы, находящиеся в твердом растворе, оказывают тормозящее действие на развитие рекристаллизационных процессов. Если углерод в структуре стали находится в форме крупных карбидов, то в обра 32 зующейся по сдвиговому механизму у-фазе рекристаллизационные процессы начинаются при более низких температурах и для их подавления требуются высокие скорости нагрева порядка 103-104 С/с [75, 90]. При высокоскоростном же нагреве закаленной стали, в которой к моменту начала (а—»у)-превращения образуются высокодисперсные карбиды, рекристаллизация сдвигается в высокотемпературную область [96, 97]. Что касается скорости охлаждения, то ее влияние на величину зерна, как показано в работе [98], оказывается гораздо меньшим, чем скорости нагрева.
Увеличение количества остаточного аустенита в закаленной стали может быть связано с его стабилизацией в процессе охлаждения в температурном интервале верхнего бейнита и ниже температуры начала мартен-ситного превращения Мн [99 - 101]. Повышение устойчивости переохлажденного аустенита в бейнитной области обусловлено диффузионным обогащением его углеродом [102], а в мартенситном интервале - локальной перегруппировкой и закреплением атомов углерода в упругом поле дислокаций [103].
Рассмотренные выше особенности процессов фазовой перекристаллизации сталей в зоне лазерной обработки указывают на сложность и неоднозначность результатов экспериментальных методов изучения формирования структуры зоны лазерного воздействия. Главной особенностью лазерной обработки, является отсутствие однородного состояния стали в аустенитной области, что обусловлено высокими скоростями нагрева и недостаточным временем для прохождения диффузионных процессов.
Испытания механических свойств и определение предельных удельных усилий, выдерживаемых лазерно-упрочненной поверхностью
Среднее значение микротвердости для слоев, наплавленных порошками инструментальных сталей ПР-10Р6М5 и ПР-17Х5ВЗМФ5С составляют соответственно: 9500; 10400 МПа. Для наплавленных слоев порошками самофлюсующихся сплавов ПГ-СР2 и ПГ-СР4 значения микротвердости: 5800; 7800 МПа соответственно.
Таким образом, дополнительная лазерная обработка наплавленных слоев по режимам, близким к режиму наплавки (W=(0,85-0,90) WHaiDI.) приводит к перекристаллизации и измельчению микроструктуры, а также к повышению стабильности микроствердости по всему сечению наплавленных слоев. При этом, в отличие от объемной термической обработки, лазерная обработка более технологична (используется то же оборудование и оснастка) и сохраняюся все преимущества лазерной наплавки.
Одним из способов оценки работоспособности конструкционных материалов во времени являются испытания по определению релаксационной способности материалов, подвергаемых действию определенных статических нагрузок [292]. В процессе испытания миниатюрные цилиндрические образцы подвергались деформированию путем сжатия между плоскопараллельными массивными пластинами. Сжатие осуществлялось ступенчатым увеличением нагрузки с постоянной величиной приращения напряжения при каждом шаге нагружения. После каждого шага последующее на-гружение производилось после времени выдержки под нагрузкой Ах=150с. После приостановки нагружения наблюдается падение напряжения в образце, то есть идет процесс релаксации. При этом в образце происходит процесс перестройки дефектной (дислокационной) структуры материала под действием внешних и внутренних напряжений [293, 294].
Наибольшую трудность при определении релаксационной способности наплавленных слоев составляет изготовление миниатюрных образцов, что связано прежде всего с относительно малыми геометрическими размерами наплавляемых лазерным излучением слоев и сложностью исключения влияния процесса испытаний и свойств материала подложки на конеч СО ные результаты. По-видимому, это и обуславливает отсутствие в зарубежных и отечественных источниках данных об абсолютных значениях по скорости релаксации напряжений наплавленных слоев. В данном случае проводилась сравнительная оценка релаксационной способности наплавленных образцов до и после дополнительной лазерной обработки. Для исключения влияния дополнительной лазерной обработки на материал подложки наплавку производили на низкоуглеродистую сталь марки СтЗ при постоянном режиме (W= 16,0 кВт/см" для порошка типа ПГ и W= 28,0 кВт/см2 для порошка типа ПР, скорость наплавки V=6,0MM/C) на пластину размером 3x40x50 мм по два отдельных слоя, после чего один из них подвергался дополнительной лазерной обработке. Из обоих мест каждой пластины электроэрозионным способом вырезались по три образца цилиндрической формы (03,0мм, Ь=4,0мм). Вырезанные образцы шлифовались до параллельности торцевых поверхностей. При обработке наплавленного слоя производилось снятие шлифовкой равного количества материала со всех парных образцов для сохранения постоянного соотношения размеров наплавленного и основного металлов.
После проведения испытаний и обработки полученных данных построены релаксационные кривые в координатах Аа - а, (Аа-спад напряжения на каждом шаге, МПа; а - текущее напряжение, МПа).
Полученные в ходе экспериментов релаксационные кривые имеют классический вид, на которых условно различают три участка: нижний -область собственно микропластической деформации; средний - переходная область; верхний - начало области макропластической деформации. Основное отличие релаксационных кривых для образцов после дополнительной лазерной обработки по сравнению с образцами без нее состоит в том, что в средней части релаксационных кривых у образцов с дополнительной лазерной обработкой наблюдается более глубокий перегиб.
Из графиков (рис. 4.53.-4.56.) видно, что средняя скорость релаксации в области собственно микропластической деформации для образцов с дополнительной обработкой выше, чем без нее. В области же макропла-стических деформаций значения релаксации практически не изменяются. Следовательно, дополнительная лазерная обработка наплавленных слоев несколько повышает релаксационную способность наплавленного материала и благоприятно влияет на работоспособность биметаллических соединений. Измерение,плотности [200] наплавленных слоев проводилось по методике [295]. При этом производилось сравнение плотности наплавленного металла без дополнительной обработки и после нее. Для обеспечения достоверности результатов эксперимента образцы готовились так же, как и при определении релаксационной способности. Образцы вырезались также электроэрозионным способом прямоугольной формы размером 0,8x4,0x15,0мм. Результаты проведенных исследований представлены в таблице 4.6.
При анализе результатов видно, что плотность наплавленного слоя увеличивается после дополнительной лазерной обработки, что приводит к снижению дефектности наплавленного металла. Причем дополнительная обработка несколько больше повышает плотность наплавленных слоев порошками инструментальных сталей по сравнению с никелевыми сплавами.
Для построения математической модели зависимости твердости наплавленного слоя от режима дополнительной лазерной обработки использовался метод регрессионного анализа [296].
Изменение микротвердости наплавленного слоя в зависимости от режима дополнительной лазерной обработки имеет сложный характер и зависит от плотности мощности лазерного потока, времени его воздействия на обрабатываемый материал, длины волны лазерного излучения, формы распределения интенсивности излучения по сечению лазерного луча, поглощающей способности обрабатываемой поверхности и т.д
Влияние объемной термической обработки и дополнительной лазерной обработки на микроструктуру и свойства наплавленных слоев
Развиты физические модели процессов формирования структуры и поведения диффузионно-подвижного водорода, отличающиеся от известных тем, что в них установлено влияние условий лазерной обработки на процесс выхода и перераспределения водорода между фазами, образующимися в поверхностном слое сталей 45 и У8А при непрерывном лазерном воздействии, показано снижение активности перераспределения водорода вследствие повышения количества остаточного аустенита при лазерной закалке с предварительным подогревом обрабатываемых изделий, а также выявлено влияние распада насыщенного водородом метастабильного остаточного аустенита на трещиностойкость лазерно-закаленной зоны. Установлено также, что увеличение трещиностойкости сталей при лазерной закалке с подогревом изделий обусловлено повышением количества остаточного аустенита, который, располагаясь в виде тонких прослоек, измельчает мартенситные кристаллиты, становясь барьером на пути распространения зарождающихся микротрещин.
Проведено исследование структуры и свойств поверхностного слоя сталей 45, У8А после лазерного легирования Сг, Ni, Mo, W, W2B5, В и лазерной наплавке порошками ПР-10Р6М5, ПР-17Х5ВЗМФ5С, ПГ-СР2, ПГ-СР4 при различных энергетических параметрах и условиях лазерного воздействия, приводящих в зависимости от теплофизических характеристик используемых материалов и возникновения в зоне расплава конвективного массопереноса, к одновременному формированию структур типа твердых растворов и механических смесей, что обеспечивает более однородное распределение легирующих элементов, равномерность и стабильность свойств по глубине зоны легирования.
Установлено, что дополнительная лазерная обработка наплавленных слоев по режимам, близким к режимам лазерной наплавки (Wna3.o6p=0,85-0,90-WHaiH.), приводит к перекристаллизации, измельчению микроструктуры и уплотнению материала наплавки, что повышает стабильность свойств по всему сечению наплавленного слоя. Использование дополнительной лазерной обработки после многослойной наплавки также приводит к формированию более однородной микроструктуры наплавлен 285 ного металла, а также зон сплавления слоев, что стабилизирует уровень их микротвердости.
Разработаны математические модели теплофизических процессов, обеспечивающих заданную глубину и форму расположения изотерм и концентрационного распределения легирующих элементов при обработке поверхности движущимся источником непрерывного лазерного излучения. Расчеты по разработанным математическим моделям используются для прогнозирования режимов поверхностной лазерной термической обработки и легирования с целью достижения максимально возможной степени упрочнения материалов и требуемого профиля концентрации легирующих элементов по зоне обработки.
Увеличение твердости, износостойкости, несущей способности локальных рабочих поверхностей деталей и инструмента показывают на перспективность данного метода упрочнения, так как указанные свойства и формируемые структуры обеспечивают повышение стойкости металлообрабатывающего инструмента и деталей машин в 2-4 раза. На основе полученных научных результатов разработаны технологии поверхностного упрочнения (закалка, легирование, наплавка) деталей машин, технологической оснастки и инструмента различного функционального назначения, при осуществлении которых в качестве внешнего теплового источника используется непрерывное лазерное излучение, в том числе: - технология и устройство для дозированной подачи порошковых материалов при лазерной порошковой наплавке. А.с. 1530922; - технология изготовления вырубных штампов с использованием лазерного термического упрочнения рабочих кромок пуансонов и матриц. А.с. 1689396; - технология изготовления метчиков с лазерной обработкой режущих кромок. Пат. 2032504; - технология лазерного термического упрочнения штамповой оснаст 286 ки. Пат. 2033435; - технология лазерного термического упрочнения зубьев дисковых пил. Пат. 2033437; - технология и устройство для настройки фокусирующей системы лазерных установок для лазерной термической обработки. Пат. 2047447; - технология лазерно-термической обработки углеродистых сталей. Пат. 2121004. Технологии предусматривают рекомендации по выбору лазерного технологического оборудования и использованию оптимальных параметров обработки в непрерывном режиме излучения для получения требуемой глубины и твердости поверхностного слоя с минимальным нарушением микрогеометрических характеристик поверхности.
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе при подготовке инженерных и научных кадров, а также прошли производственную апробацию и внедрение на ряде предприятий различных отраслей. Внедрение лазерных технологий сопровождается передачей рекомендаций научного и технического характера, технологической документации и организацией специализированных лазерных участков на предприятиях. Экономическая эффективность от внедрения результатов работы составила более 1200 тыс. руб. в год.
Похожие диссертации на Разработка и освоение технологий поверхностного термического упрочнения и наплавки металлических материалов лазерным излучением
