Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор и постановка задачи 9
1.1. Лазерная обработка материалов 9
1.1.1. Взаимодействие лазерного излучения с веществом 11
1.1.2. Особенности нагрева и охлаждения при лазерной обработке 15
1.1.3. Классификация методов поверхностной лазерной обработки 18
1.2. Лазерное легирование поверхности металлов 21
1.2.1. Обоснование выбора компонентов легирующих композиций 23
1.2.2. Формирование структуры при лазерном легировании 26
1.2.3. Свойства поверхностных слоев после лазерного легирования 28
1.3. Постановка задачи 30
2. Методика экспериментальных исследований 32
2.1. Материал исследования 32
2.2. Методика процесса лазерной обработки 35
2.3. Методика определения микрогеометрии поверхности 35
2.4. Методика металлографических исследований 37
2.5. Рентгеноструктурный анализ 37
1.1. Микрорентгеноспектральный анализ 38
1.2. Методика дюрометрических исследований 38
1.3. Методика определения микрохрупкости структуры легированного слоя 38
1.9. Измерение коэффициента теплопроводности 39
1.10. Определение коррозионной стойкости в жидких средах 40
1.11. Определение триботехнических свойств 41
3. Исследование структуры поверхностных слоев сталей после лазерного легирования
3.1. Распределение химических элементов в зоне лазерного воздействия 43
3.2. Формирование фазового состава поверхности 46
3.3. Исследование микроструктуры поверхностных слоев 55
3.4. Формирование структуры поверхностных слоев 62
3.5. Влияние температурно-временных параметров на устойчивость структурного состояния
слоев лазерного легирования 70
Выводы по главе 73
4. Исследование свойств поверхностных слоев сталей после лазерного легирования и производственные испытания 74
4.1. Физические и механические и свойства 75
4.1.1. Роль структуры и химического состава легированных слоев при формировании теплофизических свойств 75
4.1.2. Влияние состава поверхности на распределение микротвердости в зоне лазерного воздействия и в зоне термического влияния 79
4.2. Эксплуатационные свойства 87
4.2.1. Коррозионная стойкость 87
4.2.1.1. Механизм коррозии легированных слоев сталей 88
4.2.1.2. Влияние рН среды 91
4.2.1.3. Влияние состава легирующих композиций и материала основы 92
4.2.2. Износостойкость 98
4.3. Практическое использование результатов исследований ПО
Выводы по главе 115
Общие выводы 117
Библиографический список 119
Приложение 130
- Лазерная обработка материалов
- Материал исследования
- Распределение химических элементов в зоне лазерного воздействия
Введение к работе
В настоящее время лазерные технологии получения и обработки материалов 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, Сг, 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 износо- и 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 бор- и 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.
Исследование выполнялось в Пермском государственном техническом университете.
Автор выражает признательность к.т.н., доценту кафедры общей физики B.C. Постникову и к.т.н., старшему преподавателю кафедры технологии литейного
производства Пермского государственного технического университета С.А. Беловой за научное консультирование и техническое содействие в процессе выполнения диссертационной работы.
Лазерная обработка материалов
До 90% машин и установок выходят из строя вследствие преждевременного износа их деталей. Придание поверхности деталей повышенной стойкости при изготовлении, либо при ремонте и восстановлении позволяет значительно экономить материально-технические ресурсы, сокращать затраты рабочего времени. Разработка и внедрение самых прогрессивных технологий позволят увеличить срок службы оборудования, и будут способствовать повышению стойкости его узлов и деталей [49, 53,60,61,65].
Среди основных достижений в области обработки материалов можно выделить одно из наиболее перспективных направлений повышения эксплуатационных характеристик поверхности материалов - лазерную обработку, которая посредством целенаправленного изменения структуры материалов лазерным лучом позволяет получить специфические нетрадиционные комбинации физических, химических и механических свойств в поверхностных рабочих слоях.
Лазерное излучение обладает рядом уникальных свойств: высокой энергонасыщенностью, узкой направленностью, монохроматичностью и когерентностью. Оно позволяет сконцентрировать энергию с плотностью мощности до 1012 Вт/см2. Лазерное излучение при воздействии на поверхность обрабатываемого материала позволяет бесконтактно, быстро и строго дозированно передавать ему энергию. Возможность такого интенсивного подвода энергии к материалу обуславливает локальность тепловых и связанных с ними других физических процессов, протекающих непосредственно в поверхностном слое металла, а именно: поглощение излучения поверхностью материала, его нагрев, плавление и эрозия, образование зоны термического влияния (ЗТВ), диффузия в условиях тепловых воздействий на металл и т.д.
Поверхностное упрочнение деталей при нагреве лучом лазера характеризуется рядом преимуществ, а именно:
- относительная простота, экономичность и хорошая воспроизводимость способа обработки, возможность наблюдения за рабочими параметрами;
- возможность получения покрытий целевого или многоцелевого назначения, которые невозможно или экономически нецелесообразно получать другими способами;
- упрочнение локальных (по глубине и площади) объемов деталей в местах их износа с сохранением исходных свойств материала в остальном объеме;
- упрочнение поверхностей труднодоступных полостей, углублений, куда лазерный луч может быть введен с помощью оптических устройств;
- отсутствие физических контактов;
- создание «пятнистого» поверхностного упрочнения значительных площадей, при котором не образуется сплошного хрупкого слоя, склонного к растрескиванию, деформированию, отслаиванию;
- получение заданных свойств (механических, химических, физических и др.) на обрабатываемых поверхностях деталей путем их легирования различными элементами с помощью излучения лазера;
- отсутствие деформации обрабатываемых деталей, обусловленное локальностью термообработки. Для многих деталей (зубчатые колеса, кулачки, коленчатые валы) существуют ограничения на деформацию, поэтому поверхностная лазерная обработка является прямым конкурентом таким процессам, как ТВЧ-закалка и ХТО;
- отсутствие механического воздействия на обрабатываемый материал, что вместе с бес контактностью лазерного нагрева обуславливает простоту автоматизации процесса термообработки по контуру, в том числе деталей сложной формы и др.;
- возможность создания малоотходного унифицированного технологического процесса;
- высокая технико-экономическая эффективность, определяемая достоинствами лазерной обработки;
- возможность без существенных затрат решать экологические проблемы.
Материал исследования
Для того чтобы выяснить, существует ли определенная зависимость свойств легированных слоев от структуры и свойств материала основы, исследовали ряд сталей с различным содержанием углерода (от 0,1 до 0,35% С), хрома и никеля (легированные стали 15Х, 12ХНЗА, 12Х2Г2НМФТ). Химический состав исследуемых материалов приведен в таблице 2.1. С целью определения влияния исходной структуры материала основы на процессы структурообразования легированных слоев изучали два структурных состояния для каждой стали: равновесное, полученное в результате проведения отжига, и неравновесное, полученное в процессе полной или неполной закалки. Сталь 12Х2Г2НМФТ принадлежит к мартенситному классу, поэтому для нее выбрали закаленное состояние с твердостью 38-40 HRC и после высокого отпуска (при 680С) с твердостью 20-23 HRC.
Российские и зарубежные ученые, работающие в области лазерного
легирования, указывают на перспективность легирования композициями,
обеспечивающими комплексное насыщение карбидообразующими элементами
совместно с углеродом, а также бором в свободном или связанном состоянии [58, 90, 106, 107, 120, 126,127]. Это позволяет получать слои, обладающие высокой износостойкостью и теплостойкостью.
В качестве материалов для лазерного легирования использовали порошки электролитических хрома и никеля, а также карбида бора технической чистоты (табл. 2.2).
В качестве связующего вещества в легирующей композиции применяли 5% раствор канифоли в этиловом спирте. Связующее вещество составляло 5н-7% от массы всей композиции. Обмазку наносили кисточкой на поверхность образцов толщиной 0,14- 0,16 мм с последующим просушиванием при комнатной температуре. Толщину наносимой композиции контролировали микрометром.
Металлографический анализ легированных слоев проводили на микрошлифах с использованием оптического микроскопа «NEOPHOT-32» при увеличениях от 100 до 1 000 крат.
Для выявления микроструктуры поверхность шлифов травили 4% раствором азотной кислоты в этиловом спирте.
При травлении для выявления границ зерен был использован насыщенный водный раствор пикриновой кислоты с добавлением 1+3% ПАВ. Размер зерен определяли методом секущих по ГОСТ 5 639-82.
Во избежание выкрашивания упрочненных поверхностных слоев при шлифовании образцы зажимали в струбцину с медными прокладками.
Фотографирование производили на пленку с помощью фотоаппарата «Зенит-19» на оптическом микроскопе «МИМ-8» при увеличении до 1 500+2 000 крат с использованием иммерсионной жидкости, в качестве которой применяли кедровое масло.
Тонкую структуру легированных слоев исследовали методом сканирующей электронной микроскопии с использованием растрового электронного микроскопа РЭМ - 100У в диапазонах увеличений 3000+20000.
Распределение химических элементов в зоне лазерного воздействия
Микрорентгеноспектральный анализ поверхностных слоев стали 12ХНЗА после импульсного лазерного легирования композицией (В4С + Сг) показал их интенсивное насыщение легирующим элементом - хромом. В случае однократной лазерной обработки наблюдается большое различие в концентрации хрома по глубине упрочненного слоя, которое достигает 2 -s- 2,5% в пределах одной ванны, что свидетельствует о негомогенности в зоне лазерного воздействия после однократной лазерной обработки (рис. 3.1, а).
После двукратной лазерной обработки в процессе конвективного перемешивания происходит выравнивание химического состава в пределах всей зоны лазерного легирования. Различие в концентрации хрома уменьшается до 1% (рис. 3.1, б).
Наблюдаемые различия в концентрации хрома можно объяснить следующим образом. При первичном переплаве энергия лазерного излучения расходуется на нагрев и расплавление легирующей композиции и материала основы. Каждый их этих материалов имеет сильно отличающиеся температуры плавления. Так, карбид бора плавится при температурах выше 2 300 С, технический хром - выше 1 400 С, сталь -выше 1 700 С. При падении лазерного луча на поверхность материала возникает тепловой источник, температура которого уже через 1 мс достигает 5000 С [24]. При такой температуре компоненты легирующей композиции плавятся практически одновременно, и образовавшаяся жидкая ванна начинает плавить материал основы. При наличии значительного температурного градиента возникает интенсивное конвективное движение, которое перемешивает компоненты легирующей композиции и материал подложки.
При первичном переплаве в ванне расплава вязкость жидкости в пределах ванны неоднородна, так как в разных частях ванны расплава химический состав жидкости различен. Конечно же, при конвективном перемешивании вязкость жидкого металла постепенно выравнивается, но в связи с тем, что лазерный луч воздействует на поверхность металла крайне ограниченное время (4 мсек), поэтому полная гомогенизация жидкости в пределах ванны не успевает произойти до конца. В результате этого в пределах ванны расплава формируются области с заметным различием в химическом составе. В отличие от диффузионных методов химико-термической обработки металлов эти области расположены не параллельно поверхности насыщения, а произвольным образом. Перед вторым переплавом на поверхности стали образуется относительно однородная структура по сравнению с состоянием материалов перед первичной обработкой. Различия по температурам плавления компонентов обрабатываемой структуры значительно уменьшаются. В ее составе уже отсутствует тугоплавкий карбид бора. Кроме того, в структуре слоя уже присутствует легкоплавкая Fe-B эвтектика. Таким образом, к моменту второго переплава в поверхностных слоях сталей уже образуется такое структурное состояние, которое позволяет получить более жидкую ванну, обладающую меньшей вязкостью и большей способностью к перемешиванию. При этом физические и механические свойства металла в пределах ванны расплава тоже выравниваются. На этапе проведения двукратной лазерной обработки за счет интенсивных ламинарных течений металла, возникающих в результате большого градиента температур, происходит окончательная гомогенизация металлической жидкости. Резкий скачок концентрации при переходе через границу «ванна расплава - зона термического влияния», можно объяснить тем, что в зоне термического влияния не происходит легирование химическими элементами, входящими в состав легирующей композиции. Это говорит о том, что за период действия лазерного импульса диффузия легирующих элементов из ванны расплава в зону термического влияния не происходит.
Глубина слоя лазерного легирования зависит от теплофизических характеристик материала основы. Как известно [70], теплопроводность гетерогенной феррито -перлитной структуры выше теплопроводности мартенсита, то есть теплоотвод в глубь стали происходит интенсивнее. При этом увеличивается ванна расплава, а концентрация растворенного в ней легирующего элемента уменьшается. Соответственно при лазерной обработке мартенситных структур наблюдается обратная картина. Мартенситные структуры обладают низким теплоотводом, легированный слой нагревается до высоких температур, возникает значительный градиент температур. При этом ванна расплава оказывается не глубокой. Вторичный переплав на глубину ванны не влияет, потому что независимо от исходного структурного состояния материала основы под ванной расплава, а именно в зоне термического влияния, располагается мартенситная структура с низкой теплопроводностью.
