CC BY
30
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2000 р. Вип.№10
УДК 621.9.04621.787
Мали нов Л. С.*
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЛАЗЕРНОЙ И ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ОБРАБОТОК ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ДИФФЕРЕНЦИРОВАННОЙ СТРУКТУРЫ
В работе обобщены результаты исследований в перспективном направлении по армированию поверхности сплавов различных структурных классов за счет формирования градиентов структурно-фазового состояния, чему соответствует чередование в заданной последовательности участков с различной структурой и механическими свойствами. Показана возможность эффективного изменения химического состава и структуры заданных участков поверхности. Получение армированных материалов предложенными способами является основой дальнейшего повышения эксплуатационных свойств материалов.
Получение армированных материалов обычно предусматривает соединение разнородных сплавов методами литья, сварки или прокатки. В 70-х годах автором был предложен иной принцип получения естественно армированных материалов. Суть его состоит в том, что в сплавах получают чередующиеся в заданной последовательности прочные и пластичные структуры за счет обработок, сочетающих общее и локальное воздействие на металл [1-5]. При этом используются термическая, химико-термическая, деформационная обработки, а также их сочетания. Задачи общего и локального воздействия различны. Если в результате первого получают структуру с высокой твердостью и прочностью, то при втором - структуру с повышенной пластичностью и ударной вязкостью, и наоборот. В результате создается регулярная дифференцированная микроструктура [6-8]. Широкие возможности в реализации рассматриваемого принципа открывают способы армирования сплавов за счет сочетания общей обработки всего объема материала и локальных его участков с использованием источников концентрированной энергии, в частности, лазерного и электронного лучей [9].
Объектом исследования служили стали различных структурных классов, в том числе мартенситного, аустенитного и переходного. Лазерную обработку проводили на установке ЛГН-702, представляющей собой лазер непрерывного действия с выходной мощностью 800 Вт. Электронно-лучевая обработка осуществлялась на установке У 250 А с электронной пушкой У 530 М. Ускоряющее напряжение составляло 30 кВ. Плотность поглощенной мощности изменялась от 1-10* до 6,8-104 Вт/см2.
Рассмотрим получение дифференцированной структуры сочетанием общей термообработки, обеспечивающей получение преимущественно мартенситной структуры во всем объеме сплава, и локальной. Объемная термообработка может осуществляться либо обычной закалкой, если Мн выше комнатной температуры, либо закалкой с последующей обработкой холодом, если Мн ниже нее. Локальная термообработка предусматривает нагрев, приводящий к отпуску мартенсита или его переходу в аустенит. Цели общей и локальной обработок могут быть и обратными. Например, в результате общей термической обработки получают пластичную структуру - сорбит отпуска, а прочную и твердую - после локальной закалки [10].
В работе [6] исследована возможность получения на поверхности мартенситно-стареющих сталей дифференцированной структуры, состоящей, из прочных и пластичных участков состаренного и не состаренного мартенсита. Исследовали стали 03Н24ТЮ, 03Н20МЗТЮ, 06Х16Н4МД1. При оптимальных режимах локального лазерного нагрева после предварительной объемной закалки от 860 °С в этих сталях микротвердость достигает, соответственно, 5900, 6400 и 5100 МПа. Это выше, чем после обычного старения (5200, 5500 и 4000 МПа). В том случае, когда общая обработка мартенситно-стареющих сталей включала закалку и старение на
* ПГТУ, д-р техн. наук, проф.
максимальную твердость, лазерная обработка приводила к существенному снижению микротвердости либо из-за перестаривания,либр за счет получения несостаренного мартенсита.
Фазовый состав и микротвердость марганцовистых сталей различных структурных классов при лазерной обработке изменяются не одинаково. В низкоуглеродистых марганцовистых мартенейтных сталях 03Г8 и 03Г10 после обработки при сравнительно небольших скоростях74 перемещения лазерного луча (100-200 мм/мин) обнаружено существенное снижение мик-ротверДости; от 4460 до 2600 МПа по сравнению с ее значениями после общей закалки. Это обусловлено образованием остаточного аустенита, о чем свидетельствуют данные рентгеновского анализа. Прирост микротвердости после лазерной обработки наблюдается в мартенситно-аустенитных (а' + е + у) и аустенитных сталях. Под влиянием напряжений, вызванных большими скоростями нагрева и охлаждения, в этих сталях происходит у —> а' превращение, что и было нами впервые установлено в работах [6-12]. Наибольшее увеличение количества мартенсита обнаружено в низкоуглеродистых марганцовистых сталях Г14 и Г16 с наиболее низкой стабильностью аустенита [9]. По мере повышения содержания марганца и увеличения стабильно-сшаустенита снижается прирост количества мартенсита после лазерной обработки.
Аустенитныё метастабильные стали ЗОХЮГЮ, 40Х14АГ12Ф2 и 120Г6Ф2 после общей закалки от 1100 °С и локального лазерного воздействия по оптимальному режиму имели микротвердость 5140, 6400 и 5600 МПа, соответственно [6]. Это обусловлено, согласно данным рентгеновского и магнитометрического анализа, образованием мартенсита. Такие высокие зна-ченая микротвердоста характерны для закаленных углеродистых, а также мартенситно-стареющих сталей после лазерной обработки. На микротвердость существенно влияет режим лазерной обработки. Например, при скоростях обработки меньших иди больших оптимальной 600 мм/мин) микротвердость снижается. Первое связано с увеличением времени и температуры нагревай, соответственно, большей степенью растворения карбидов, повышением стабильности аустенита. Второе обусловлено снижением температуры и времени нагрева, что вызывает уменьшение уровня напряжений и количества образующегося мартенсита.
Способность аустенита к мартенситному превращению при лазерной закалке зависит также от предварительной общей термической обработки. В стали 120Г6Ф2сПредварительная закаяка от 900 °С позволяет после лазерной обработки получить микротвердость 7400 МПа, что существенно выше, чем после закалки от 1100 °С (5600 МПа), когда устойчивость аустенита к мартенситному превращению выше, чем в предыдущем случае, из-за более полного растворения карбидов. Уменьшению стабильности аустенита и увеличению микротвердости после лазерной обработки способствует также предварительное старение [6, 9, 11]. Управлять стабильностью аустенита можно предварительной пластической деформацией. В случае, когда предварительная холодная пластическая деформация вызывает в структуре,сталей 08Г10, 08Г14 образование преимущественно а - мартенсита, последующая лазерная обработка снижает их микротвердость [9]. Это можно объяснить тем, что при нагреве лазерным лучом происходит обратное ос—* у превращение. Образовавшийся фазонаклепанный аустенит обладает повышенной устойчивостью к мартенситному превращению при охлаждении. В результате после лазерной обработки мартенсита становится меньше, чем в исходном деформированном металле. Предварительная теплая деформация сталей 08Г10, 08П4 при 400 °С с В = 30 %, приводящая к увеличению количества метастабильного аустенита, вызывает повышение микротвердости вследствие у —>■ а" превращения под влиянием вызванных скоростным нагревом и охлаждением напряжений. В отличие от этого аналогичная теплая деформация сталей 08Г20 и 08Г24, существенно повышающая стабильность аустенита, снижает их микротвердость после лазерной обработки [9] по сравнению с микротвердостью деформированного металла.
Обнаруженное в марганцовистых сталях неоднозначное влияние лазерной обработки на количество аустенита в структуре сталей, имеющих различное исходное (после объемной термообработки) количество мартенсита, наблюдается и в сталях ледебуритного класса. В стали Р6М5 с преимущественно мартенситно-карбидной структурой и малым количеством остаточного аустенита после объемной термообработки лазерное воздействие может приводить к увеличению его доли, особенно при небольших скоростях перемещения и малом диаметре лазерного пятна Напротив, если количество остаточного аустенита после объемной термообработки (закалка от 1240 °С и отпуск при 200 °С) велико, лазерное воздействие вызывает его прёвраще-
ние в мартенсит. Электронно-лучевая обработка (ЭЛО) марганецсодержащих сталей приводит к аналогичным результатам. В стали ОЗГЮ, имеющей мартенситную структуру (а-, £-), электронно-лучевая обработка по исследованным режимам вызывает образование аустенита, что снижает микротвердость. В сталях со структурой метастабильного аустенита (90Г7АФ, ЗОХЮПО) в результате ЭЛО происходит его превращение в мартенсит, что вызывает увеличение микротвердости [12].
Новые широкие возможности в реализации ранее предложенного принципа открывают способы армирования сталей (сплавов) за счет сочетания термообработки всего объема металла и расплавления заданных его участков с использованием источников концентрированной энергии [12] В сталях 09Г2ФБ, 13ГС и 35ХМЛ, прошедших нормализацию, была проведена лазерная и электронно-лучевая обработки заданных участков с их расплавлением. После охлаждения в них был получен мартенсит. Образование его обусловлено высокой скоростью охлаждения за счет интенсивного теплоотвода холодным металлом. В зависимости от вида источника концентрированной энергии и режимов обработки глубина упрочненных участков может изменяться от 0,5 до 4,0 мм. Заключительной обработкой является общий низкий отпуск для снятия внутренних напряжений. Армирование поверхности прочными структурами может найти применение для деталей, изготовленных из сталей невысокой твердости, подвергающихся смятию при эксплуатации под действием высоких нагрузок, а также инструмента.
Для повышения твердости и износостойкости армированных участков целесообразно легировать расплавляемый источниками концентрированной энергии металл элементами, увеличивающими твердость мартенсита й образующими упрочняющие фазы (карбиды, нитриды, бориды и др.). Одним из вариантов для реализации этого может быть химико-термическая обработка, которая проводится насыщением всей поверхности металла перед расплавлением заданных участков, а также непосредственно в процессе самого расплавления за счет введения присадочных материалов, содержащих соответствующие легирующие элементы. Заключительную термообработку целесообразно проводить для всего объема металла, например, с целью уменьшения уровня внутренних напряжений или дисперсионного твердения армированных участков повышенной степени легирования. Термообработке могут подвергаться также только заданные участки с помощью лазерного или электронного лучей, но уже без расплавления. В сталях 40Х после предварительной цементации всей поверхности при 930 °С в течение 4 ч, последующей электроннолучевой обработки с расплавлением заданных участков и общего низкого отпуска получена микротвердость Ноо,980 != 8000-12000 МПа. Эти значения существенно выше, чем после аналогичной обработки без цементации (Ноо,э«о = 5000-5500 МПа). Наиболее высокие значения микротвердости (Нор,9во 13000-15000 МПа), получены в случае борирования заданных участков при предварительном нанесении на них пасты, содержащей карбид бора, и последующем их расплавлении источником концентрированной энергии. Глубина участков при использовании лазерного луча составляла 0,6-1,5 мм, а электронного - 2-4 мм (в зависимости от режимов обработки). В мартенеитной матрице обнаружены бориды ГеВ и ГеВ2 и небольшое 10 %) количество остаточного аустенита. В результате плазменной металлизации заданных участков стали 35ХМЛ сплавом ПГ-СР4 и последующего их расплавления электронным лучом формируются участки, обладающие повышенной микротвердостью (Н& о.зво = 5500 МПа). Микротвердость основного металла, предварительно отожженного, не превышает Но = 2200 МПа. Несомненный интерес представляет армирование стали 110Г13Л. После закалки от 1100 °С в воде в ней обеспечивается получение структуры аустенита. Последующий двукратный переплав заданных участков электронным лучом приводит к образованию в структуре мартенсита и повышению микротвердости до 5500 МПа. Упрочненные участки имеют глубину до 4 мм. Образование мартенсита обусловлено уменьшением содержания марганца и углерода, поскольку переплав проводится в вакууме. Эффективно для этой цели использовать присадочный материал в виде проволоки, ленты, порошка из низкоугяеродистых нелегированных или низколегированных сталей. Это позволяет в результате расплавления электронным или лазерным лучами уменьшить степень легирования аустенита, дестабилизировать его и получить в структуре мартенсит. Заключительной является общая обработка; в результате которой в зоне термического влияния растворяются карбиды, охрупчивающие сталь, й уменьшаются напряжения. В стали 110Г13Л при использовании присадочного материала из СтЗ и расплавления ло-
кальных участков микротвердость возросла д Но о, за а 6000 МПа. Аналогичный эффект получен в стали ЗОХЮГ 10.
В ряде случаев необходимо твердую матрицу (например, мартенситную) армировать мягкими, пластичными участками, которые могут тормозить развитие трещин. Для этого в качестве присадочных следует использовать материалы, содержащие элементы (марганец, никель, медь, хром и др.), понижающие мартенситную точку до отрицательных температур. Это позволяет в заданных участках, подвергнутых расплавлению, получить структуру аустенита.
Армирование материалов может осуществляться также следующим образом. Механической обработкой (сверлением, фрезерованием и др.) делают углубления заданной формы и размеров, заполняют их вставками или порошками из износостойких сплавов, в том числе из отходов, а затем их расплавляют. При больших размерах армирующих вставок расплавление проводится лишь по их краям, контактирующим с основным металлом. С учетом требований к свойствам армированных материалов проводят предварительную и заключительную общую обработку [13].
С использованием рассматриваемого принципа могут быть получены многослойные дифференцированные структуры [14]. При этом используют градиентную обработку, в том числе скоростной нагрев в печи, лазерным или электронным лучами, а также плазменной струей. Могут применяться химико- и деформационно-термическое воздействие на материал. Последующую обработку проводят на меньшую глубину, чем предыдущую. Так в мартенситно-стареющей стали 03Н24ТЮ многослойная структура, представляющая чередование слоев состаренного и не состаренного мартенсита, получена последовательным проведением закалки и старения. После закалки во всем объеме создают структуру низкоуглеродистого мартенсита невысокой твердости. Затем осуществляют градиентный нагрев поверхности до температуры, обеспечивающей старение мартенсита на заданную глубину. При этом твердость поверхности возрастает более, чем в 2 раза. После этого вновь осуществляют закалку, но на глубину меньшую, чем зона состаренного мартенсита. Многослойную регулярную дифференцированную макроструктуру, представляющую собой чередование мартенситных и аустенитных слоев по глубине, на стали 120Г7 реализуют сочетанием обезуглероживания и науглероживания. После высокотемпературного нагрева и выдержки получают обезуглероженный слой заданной толщины. Затем цементацией и последующей закалкой получают на меньшей глубине, чем в предыдущем слое, аустенитную структуру. Длительностью этих обработок можно регулировать глубину аустенитной и мартенситной зоны, а количеством этих обработок - число аустенитных и мартенситных слоев. В низкоуглеродистой стали 08Г7 чередование мартенситных и аустенитных слоев, щ глубине получают сочетанием процессов науглероживания и обезуглероживания. Цементация и закалка приводят к получению на поверхности слоя аустенита. Последующее обезуглероживание на меньшую глубину позволяет вновь получить после закалки мартенситную структуру. Создание регулярной дифференцированной макроструктуры в одном материале открывает новые возможности в повышении его конструкционной прочности, получение магнитных и не магнитных участков, слоев с различными коэффициентами термического расширения. Это может найти применение в технике.
В настоящее время получению дифференцированной структуры, состоящей из чередующихся прочных и пластичных слоев, в литературе уделяется мало внимания. Однако в ряде публикаций подтверждается целесообразность получения такой структуры. В работах [15, 16] при трении колодок из стали 40X10С2М лучшие показатели износостойкости наблюдались в случае упрочнения поверхности отдельными дорожками мартенситной структуры с углом наклона 45 град., занимающими 25-30 % поверхности. При преимущественном изнашивании не упрочненных слоев (между закаленными дорожками) в них накапливается смазочный материал, обеспечивающий высокие триботехнические показатели. При трении качения с проскальзыванием и принудительной подачей в зону контакта смазки лазерное упрочнение поверхности стали в виде отдельных полосок позволяет в 5-10 раз повысить износостойкость и несущую способность трибосопряжений по сравнению со стандартной закалкой и отпуском [17]. В этом случае также образуется рельеф в результате преимущественного изнашивания не упрочненных или отпущенных участков, что способствует возникновению устойчивой упругогидроди-намической масляной пленки в зоне контакта. Такой же эффект обнаруживается и при наличии в смазочном материале до 15 % абразива. Для поверхностей качения и направляющих опор в
случае импульсивного и ударного нагружения в ряде случаев рекомендуется точечная закалка, снижающая опасность образования трещин [18].
Предложен способ цементации стальных деталей, согласно которому для создания гетерогенной макроструктуры на насыщаемую углеродом поверхность наносят защитную маску с сетчатым узором, размером ячеек 1-2 мм и толщиной прослоек между ячейками 0,5-1 мм [19]. Этот способ повышает износостойкость стали. Аналогичный результат получен автором, когда после общей цементации заданные участки подвергали локальному лазерному или электроннолучевому воздействию. В работе [20] показана возможность локального высокоскоростного науглероживания с использованием электроконтактного нагрева на машине для точечной сварки. Представляет интерес способ термического упрочнения листового проката, характеризующийся тем, что после общего нагрева до 950 °С лист помещают между плитами и охлаждение проводят избирательно в заданных участках. При суммарной площади упрочненных участков 25 % получают а 0.2 = 400 МПа; а в = 585 МПа, 8 = 24,2 % [21]. Дифференцированная структура эффективна также для инструмента, особенно небольшого сечения (сверла, фрезы, развертки и т.п.), выходящего из строя из-за поломок. В этом случае объемная термическая обработка направлена на повышение пластичности при снижении твердости по сравнению с обычно принятой. Напротив, участки рабочей поверхности инструмента, подвергающиеся интенсивному изнашиванию, упрочняют с помощью локального избирательного воздействия до более высоких значений твердости, чем при серийной технологии [10].
Лазерная обработка поверхности сталей с образованием закаленных слоев, чередующихся с не закаленными, позволяет почти в 2 раза повысить сопротивление усталости [22]. Большой эффект повышения износостойкости обеспечило создание чередующихся мягких и твердых структурных составляющих на поверхности чугунных деталей. В чугунах с ферритной структурой оптимальная площадь, закаленных локальных участков, полученных после лазерной закалки, составляет 5-10 %, в чугунах же с перлитной структурой аналогичные участки с высокой микротвердостью должны занимать 20-25 % [23]. Испытание гильз цилиндров автомобиля ЗИЛ-130, обработанных для получения мягких и твердых чередующихся структурных составляющих, показывает увеличение износостойкости в 2,0-2,5 раза по сравнению с таковой у гильз из чугуна такого же состава при обычно принятой обработке.
Выводы
1. Показана перспективность получения дифференцированной структуры в сплавах, представляющей собой чередование высокопрочных и высокопластичных объемов.
2. Дифференцированную структуру целесообразно получать сочетанием общего и локального воздействия на материал.
3. Получение дифференцированной структуры позволяет повысить конструкционную прочность и износостойкость сплавов.
Перечень ссылок
1. A.c. 473752 СССР, МКИ С 21 Д 7/14. Способ обработки стали// Открытия, Изобретения.
- 1976. - № 22.
2. Малинов Л.С., Соколов Б.К., Коноп-Ляшко В.И. Получение высоких прочностных и пластических свойств двухфазной стали дифференцированной обработкой // МиТОМ. - 1980.
№3 . - С . №32-35.
3. A.c. 6217562СССР, МКИ С 21 Д 7/14. Способ обработки аустенитных сталей // Открытия. Изобретения. - 1978.-№ 32.
4. A.c. 621756 СССР, МКИ С 21 Д 7/14. Способ обработки аустенитно-мартенситных сталей // Открытия. Изобретения. - 1978. - № 32.
5. A.c. 630298 СССР, МКИ С 21 Д 7/14. Способ обработки стали// Открытия. Изобретения. -1978.-№40.
6. Получение гетерогенных поверхностных слоев на сталях / Л.С. Малинов, Е.Я. Харланова, H.H. Сурова и др. //Изв. АН СССР. Металлы. - 1992. -№ 3. С. 178-182.
7. Ах. 1534065 СССР, МКИ С 21 Д 1/09. Способ обработки сталей // Открытия. Изобретения.
- 1990.-№1. о
г
8. Влияние лазерной обработки на структуру и свойства стали Г7АФ с различным содержанием углерода IJI.С. Малинов, Е.Я. Харланова, ЕЛ. Малинова и др. // ФиХОМ. - 1990. - № 6. -С.115-118.
9. Дифференцированная обработка для получения естественно-армированных поверхностных слоев на марганцовистых сталях / Л.С. Малинов, ЕЯ. Харланова, М.В. Туманова и др. // МиТОМ. - 1991. -№ 3. - С. 8-10.
10. Малинов Л.С, Харланова ЕЖ, Колечко A.A. II Новые материалы и упрочняющие технологии на основе прогрессивных методов термической и химико-термической обработки // Тез. докл. всесоюзн. конф. (г. Тольятти, 23-24 сентября 1986 г.). - М: 1986. - С. 152.
11. Малинов Л.С, Харланова Е.Я., Дан но СВ. Лазерная обработка железомарганцевых сталей // ФиХОМ. - 1987. - № 2. - С. 47-49.
12. Армирование поверхности сталей за счет применения дифференцированной обработки / Л.С. Малинов, Е.Я. Харланова,. AB. Зареченский и др. //Изв. вузов. Черная металлургия.
1992. -№4.-С.37-39.
13. Малинов Л.С. Армирование сталей за счет сочетания общей термообработки и расплавления участков металла с использованием источников концентрированной энергии // Процессы литья. - 1997. - № 4. - С. 54-57.
14. Малинов Л.С. Получение многослойной регулярной дифференцированной макроструктуры //Тез. докл. V региональной науч.-техн. конф. ( г. Мариуполь, 20-23 апреля 1998 г.). - Мариуполь. 1998. - С. 7.
15. Андросов А.П., Алексеенко СИ., Бояркин ИВ. Лазерная закалка клапана дизельного двигателя. // Новые материалы и упрочняющие технологии на основе прогрессивных методов термической и химико-термической обработки в автостроении: Тез. докл. всесоюзн. конф.
• ( (г. Тольятти, 23-24 сентября 1986 г.). -М.: 1986. - С. 153-154.
16. Лазерная закалка клапана дизельного двигателя I А.П. Андросов, СИ Алексеенко, М.В. Бояркин и др. //МиТОМ. - 1988.-. № 1. - С. 51-53.
17. Дроздов Ю.Н., Тескер ЕЙ., Гурьев В.А. Модифицирований и упрочнение поверхности трения лазерной обработкой // Вестник машиностроения. - 1988. - № 6. - С. 3-6.
18. Keitel V. S., Schulze V.K-R, Ssobisch G. Lokale Oberflachenmodifikation mit dem Elektronenstrahl. ZI S -Mittelungen. - 1986. - B. 28. -№ 1. -P. 53-61.
19. Ac. 1661244 СССР, МКИ C23 С 8/04. Способ цементации стальных деталей // Открытия, изобретения. - 1991.-№ 25.
20. Жуков A.A., Осадчук А.Ю., Богдаренко A.B. Использование дисперсных углеродных материалов для поверхностного науглероживания сталей // Новые материалы и ресурсосберегающие технологии термической и химико-термической обработки - основа повышения долговечности деталей машин и инструмента: Тез. докл. междун. конф. (г. Телави, 27-29 октября 1987 г.). -М.: 1987. - С. 68-69.
21. ПодгайскийМС. Термическое армирование проката// МиТОМ. - 1992. -№ 10. - С. 20-23.
22. Соловьев A.A., Калинин И.Б. О повышении износостойкости сталей после лазерной обработки. "Авиационная промышленность" (приложение к журналу № 4). - 1990. - С. 26-27.
23. Влияние схемы упрочнения гильз цилиндров лазерным излучением на износостойкость / ВМ. Андрияхин, ВА. Васильев, В.К. Седунов, Н.Т. Чеканова II МиТОМ. - 1982. - № 9.
С. 41-43.
Малинов Леонид Соломонович. Д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой "Материаловедение", окончил Уральский политехнический институт им. СМ. Кирова в 1956 году. Основные направления научных исследований - разработка экономнолегированных высокопрочных и износостойких сплавов, а также способов обработки, основанных на использовании принципа получения в структуре наряду с другими составляющими метастабильного аустенита, регулирование его количества и стабильности применительно к конкретным условиям нагружения.
