CC BY
44
и R = 50/50 при времени выдержки т = 8 ч и степенях предварительного пластического деформирования е от 20 до 40 %.
Список литературы
1. Власов В.М., Нечаев Л.М. Работоспособность высокопрочных термодиффузионных покрытий в узах трения машин. Тула : Приокск. кн. изд-во, 1994. 235 с.
2. Оценка антифрикционных свойств никотрированной стали 25Х3М3НБЦА / В.М. Власов [и др.] // Успехи современного естествознания. 2003. №5. С. 31-34.
3. В.М. Власов, Л.МНечаев, Фомичева Н.Б. Оценка влияния параметров насыщающей среды на качество формирующихся покрытий // Изв. ТулГУ. Сер. Материаловедение. 2004. № 4. С.45-48.
4. Власов В.М., Нечаев Л.М., ФомичеваН.Б. Влияние технологически параметров на триботехнические свойства многофаных термохимически покрытий // Трение и износ. 2001.Т. 22. №2 5. С. 592-596.
N. Fomicheva, L. Nechaev, I. Kanynnikova, E. Markova
The influence of concentration of Nitrogen under low temperature carbonitriding on the wear resistance of Carbonitride layers
The influence of concentration of nitrogen in the carbonitriding “ammonia-RX gas ” mixture on the wear resistance of carbonitride layers of the carbonitrided steel 30XH2MФA has been analysed. The technological parameters of the process of carbonitriding, optimal for the parameters of wear resistance, have been obtained.
Получено 19.01.09
УДК 621.785
Л.В. Мясникова, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-05-81, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ И СВОЙСТВА ЛАЗЕРНО-ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ
Рассмотрены возможности получения лазерно-легированных покрытий. Исследованы структуройбразование я свойства лазерно-легированных покрытий, полученных при различных режимах лазерного воздействия.
Ключевые слова: лазерно-легированные покрытия, структура, свойства, технологя лазерного упрочнения конструкционных сталей.
Долговечность многих элементов современных технологических машин лимитируется их поверхностной прочностью. В последние ГОДЫ1
для целей повышения эксплуатационного качества поверхностных слоев изделий и экономии дефицитных легирующих материалов получили развитие различные технологии локального упрочнения и среди них такие нетрадиционные методы1, как электронно-лучевое напыление и напыление за счет энергии ллерного излучения.
Последний способ для некоторого круга материлов и, в том числе стаей, является наиболее эффективным и универсальным при достаточной его изобретательности. Использование лазера как источника энергии предоставляет относительно нетрудоемкую возможность насыщать поверхностные слои многими простыми и сложными материлами, формировать широкий спектр легированных поверхностных структур от твердых растворов до сложных дисперсных композитов, получать трибологически оотимльные композиты: за счет изменения геометрии трущейся поверхности и насыщения «твердыми смлками».
В данной статье представляются первичные результаты: экспериментальных исследований лазерно-легированных слоев на конструкционны: и модельных материалах в нормализованном состоянии. В качестве модельного материала использовали армко-железо, в качестве конструкционного - сталь 45. Насыщающими исходными материалами служили промышленные порошки нитридов (на примере Т1К) и карбидов вольфрама ^2С). Для легирования применялась лаерная импульсная установка типа ЛТУ-2М с источником излучения оптического квантового генератора (ОКГ) мощностью до 70 Дж.
Анлиз полученных результатов поклывает, что механизм легирования стаей весьма сложен и может включать такие процессы:, как диффузия из жидкой фазы: и пллмы:, конвективное перемешивание расплавов, механическое диспергирование частиц. Суперпозиции нлванных процессов могут быть самыми рлными, причем ужесточение режимов предопределяет большой динамизм явлений. Структурообрлование, его механизмы:, получаемый комплекс физико-механических свойств определяются режимом работы: ОКГ и типом материала. Весьма перспективна возможность получения трибологически направленных изменений в поверхностны: слоях - композитных.
Результаты: исследований доказывают целесообрлность рлвития направления лазерного упрочнения в технике с целью улучшения характеристик поверхностной прочности и достижения лучшего эксплуатационного качества изделий.
Целью настоящего исследования являлось изучение влияния технологических параметров ллерной обработки на свойства зоны: легирования армко-железа (как модельного материла) и стаи 45 нитридом титана, карбидом вольфрама.
Для решения поставленной цели исследования необходимо было решить целый ряд задач:
1) изучить влияние различных режимов облучения на характер структурообразования в зоне термического влияния (ЗТВ);
2) изучить распределение микротвердости по глубине зоны термического влияния;
3) провести микрорентгеноспекгральный анализ распределения легирующего элемента в слое.
Для решения поставленных в работе задач использовались следующие методики:
1) метод оптической металлографии - для определения структуры и глубины зоны термического влияния;
2) микрорентгеноструктурный анализ - для определения распределения легирующего элемента в ЗТВ;
3) дюрометрический анализ - для определения распределения микротвердости в зоне термического влияния.
Микроанализ проводили с целью выявления структуры ЗТВ и выявления толщины легированного слоя.
Шлифы приготовляли в плоскости, параллельной падающему пучку
ОКГ.
При выявлении структуры определенные трудности возникли с подбором травителя. Были исследованы следующие травители: для армко-железа - 4 %-ный раствор пикриновой кислоты в спирте; для стаи 45 -4 %-ный раствор азотной кислоты в спирте. Также применяли смесь пикриновой и азотной кислот.
Образцы травили в растворе погружением. Микроструктуру исследовали на металлографическом микроскопе типа МИМ-7 при увеличении 300. Во избежание заваов по кромке образца при приготовлении шлифа последний зливали протокрилом.
Фотографирование структуры осуществляли на микроскопе МИМ-8.
Особо тщательное приотовление шлифов и их травление позволили при увеличениях от 200 до 1000 раз получить достоверную информацию о микроструктурах, формирующихся на поверхности сталей при лазерном легировании.
Как видно (рис. 1), имеют место взаимодействие жидких фа основного метала и легирующей присадки, а также и механическое внедрение частиц. Для типа легирования из порошков нитрида титана характерно получение поверхностных столбчатых зон, о чем свидетельствуют «растровые» фотографии.
Микроструктуры показывают возможность формирования компактных, имеющих хорошее сцепление с основнім матери лом покрытий. Формирование мелкодисперсных структур с диспергированными частицами фа, плавно переходящими в основу материала, позволяет получить покрытия с высоким комплексом механических свойств.
Измерения распределения микротвердости в ЗТВ образцов из армко-железа и стаи 45 проводили на прибор типа ПМТ-3 при нагрузке 50 г. Така нагрузка выбрана в связи со значительной дисперсностью структурных составляющих и возможностью усреднения полученных результатов.
Рис. 1. Структура поверхностного слоя стали 45, легированной ТІМ: л - лазерно-легированного приповерхностного слоя х 1000;
б - переходного слоя х 1000; в - лазерно-легированного пеуходного слоя стали 45 х 200
Микрорентгеноспектральный анализ проводили с целью распределения легирующего элемента по глубине ЗТВ. Исследования проводили на приборе МАР-1.
Исследуемый металографи еский шлиф устанавливася в вакуумную трубку и служил антикатодом. На выбранную под микроскопом «точку» шлифа направляли сфокусированный электронный пучок диаметром несколько микрон. Под влиянием электронной бомбардировки область, находящася в микрообъеме, испускает характеристическое рентгеновское излучение. Разлага его в спектр с помощью изогнутого кристала кварца и определяя длину волн характеристических линий и их интенсивность, можно определить состав анаизируемого микрообъема. Кроме анаиза состава «в точке», проводили исследования распределения легирующих элементов по выбранному на шлифе направлению. Для этого спектрометр устанавливается на соответствующий угол отражения, а образец перемещается под электронным пучком. Изменения концентрации анаизируемого элемента вызывают пропорционаьные изменения максимума интенсивности. Проводя непрерывную запись интенсивности линий, получали кривую распределения содержания данного элемента.
Результаты исследования позволили выжить оптимальный режим воздействия ОКГ, позволяющий получить лаерно-легированные поверхностные слои.
Оптимаьным является режим при и = 3,0 кВ и длительности воздействия т = 6,2 мс.
Распределение легирующих элементов в поверхностном слое (рис. 2 и 3) позволяет выявить поверхностную концентрацию легирующих элементов и их закономерность распределения в слое.
Глубина проникновения, мкм
а
Глубина проникновения, мкм б
Глубина проникновения, мкм в
Рис. 2. Распределение титана по глубине зоны воздействия ОКГ в стали 45 при различных режимах: а-и= 2,4 кВ; 1- т = 6,2мс, 2- т = 4,0 мс, 3- т = 1,8 мс; б — и= 2,7 кВ; 1- т = 6,2мс, 2- т = 4,0 мс, 3- т = 1,8 мс; в — и= 3,0 кВ; 1- т = 6,2мс, 2- т = 4,0 мс, 3- т = 1,8 мс
Концентрация вольфрама при оптимальном режиме ОКГ составляет ~ 20 %, а титана ~ 11 % на стаи 45. Глубина проникновения вольфрама составляет 180 - 200 мкм, титана 70-75 мкм.
\У,% вес 24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
и=2,4 кВ 1 . Т-6,2мс 2.1 =4, Оме 3.1=1,8мс
1 :
ы и
0 40 80 120 160 200
Глубина проникновения, мкм
а
щ%
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
вес
1 / и=2,7 кВ 1. 1=6,2мс 2.Т =4 .Оме 3.Т=1.8мс
( к
і 7
V
!
1
/ і
П
N
0 40 80 120 160 200
Глубина проникновения, мкм
б
0 40 80 120 160 200
Глубина проникновения, мкм
в
Рис. 3. Распределение вольфрама по глубине зоны воздействия ОКГ в стали 45 при различных режимах обучения: а - и= 2,4 кВ; 1- т= 6,2 мс, 2- т = 4,0 мс, 3- т = 1 мс; б- и= 2,7кВ; 1- х= 6,2мс, 2- т = 4,0мс, 3- т = 1,8мс; в - и= 3,0 кВ; 1- х = 6,2 мс, 2- т= 4,0мс, 3- т= 1,8мс
Анаиз распределения микротвердости в поверхностных лазернолегированных титаном слоях как армко-железа, так и стаи 45 позволил выжить повышение твердости на большую глубину, чем проникает титан.
Повышение микротвердости связано с влиянием импульсного изучения ОКГ на превращения и структур ообраование формирующегося покрытия. Упрочненный поверхностный слой стали 45 состоит из бесструктурного мартенсита. За «белым» следует переходный сорбито-троститный слой, обладающий повышенной травимостью.
По расчетам [1], мгновенна температура, обраующаяся на поверхности стаи, составляет свыше 2800 0С, что приводит к насыщению аустенита легирующим элементом ввиду растворения карбида вольфрама, а также нитрида титана и ускоренной диффузии вольфрама и титана в глубинные слои. Воздействие лаерной обработки приводит к повышению плотности дислокации в упрочненном поверхностном слое в 5 - 6 ра [1].
Глубина повышения микротвердости почти в 3 раза выше проникновения титана и составляет - 250 мкм при оптимальном режиме ОКГ (рис. 4).
нО
н
I 800
£ 600 о
| 400 £
200
0 60 120 180 240 300 360 420
Глубина слоя, мкм
а
¿5 - О О 800
Р. О ра г- 600
о а X к 400
2 200
60 120 180 240
б
300 360 420
Глубина слоя, мкм
Л
н
и
О
и
р,
о
са
Н
О
&
8
800
600
400
200
‘Х’-о-о /2 1=1,8 мс 1. и=2,4 кВ 2. и=2,7 кВ 3. и=3,0 кВ
"И /
1 1 I / /
о—О ——
60 120 180 240
в
300 360 420
Глубина слоя, мкм
Рис. 4. Распределение микротвердости по глубине зоны воздействия ОКГ в стали 45, легированной ТІМ при различных режимах: а - т= 6,2 мс; 1- и= 2,4 кВ, 2- и= 2,7 кВ, 3- и= 3,0 кВ; б- т = 4,0 мс; 1- и= 2,4 кВ, 2- и= 2,7 кВ, 3- и= 3,0 кВ; в- т= 1,8мс; 1- и= 2,4 кВ, 2- и= 2,7кВ, 3- и= 3,0кВ
Максимальная величина концентрации точечных дефектов, полу-
01 ^
ченная с помощью расчета, составляет ~ 10 см' [1].
При воздействии изучения лазера, несомненно, возникают значительно более сложные виды объемного напряженного состояния, приводящие к развитию пластической деформации. Однако кратковременность воздействия (продолжительность его может быть меньше времени релаксации) позволяет считать, что на процесс диффузии при лазерной обработке оказывает большое влияние давление. Совокупное влияние концентрации дефектов, их поведение при лазерной обработке, воздействие давления ускоряют диффузионные процессы.
Исследование показали, что воздействие излучения ОКГ на сплавы на основе железа вызывает значительное уменьшение размеров блоков, повышение плотности дислокаций объясняет причину высокого упрочнения металлов в зоне обработки изучением ОКГ.
Результаты исследования позволили установить возможность легирования сталей и получения защитных покрытий с широким спектром свойств, в т.ч. . для восстановления рамеров изношенных деталей [2, 3].
Для всех исследованных покрытий наблюдается хорошее насыщение легирующими элементами (рис. 3, 4), плавно распределенными в слое, хорошее сцепление с насыщаемым материалом, благоприятное формирование микроструктуры и заметное повышение микротвердости в поверхностных слоях.
Приведенные данные позволяют корректно подойти к выбору оптимальной толщины наносимых покрытий с помощью экспресс-л а ерного легирования с целью получения покрытий с необходимыми свойствами.
Список литературы
1. Кришгал М.А. Структура и свойства сплавов, обработанных излучением лазера. М. : Металлургия, 1973.
2. Дубняков В.Н., Кащук О.Л., Ковалев А.И. // Структура и механические свойства облученной лазером стали 45 // МиТОМ. 1989. №2 7. С. 60.
3. Лаерное упрочнение восстановленных коленчатых валов двигателя А-4,1 / А.А. Аблаев [и др.] // МиТОМ. 1989. №2 1. С.10
L. Myasnikova
Forming of structure andproperties of lazeralloyed steel
The possibility of obtaining lazernalloyed coating. Structure and properties studied lazenaloyed coatings obtained under different regimes of laser irradiation have been studied.
Получено 19.01.09
