CC BY
17
УДК 621.793.6
В. Г. Каплун, П. В. Каплун, Ю. I. Шалапко
КОМПЛЕКСЫ ТЕХНОЛОГИ ЗМ1ЦНЕННЯ ПОВЕРХН1
ДЕТАЛЕЙ МАШИН
Наведено результати експериментальних досл1джень властивостей поверхн1 конст-рукцйних сталей пюля зм1цнення з використанням комплексних технолог1й електро1скро-вого та лазерного легування з подальшим ¡онним азотуванням.
Пщвищення довговiчностi та надмносл машин е одним з найважливших завдань машинобуду-вання. Досвщ експлуатаци машин свщчить, що майже 80 % деталей машин виходить з ладу в зв'яз-ку 3i зношуванням i руйнуванням Тх поверхнi. Одним з перспективних напрямкiв вирiшення qiei про-блеми е змiцнення поверхневих шарiв деталей машин. В даний час юнуе велика кiлькiсть технолог^ змiцнення поверxнi конструктивних елеменлв. Для рiзниx умов експлуатаци необхщы рiзнi фiзи-ко-меxанiчнi властивостi, структура, xiмiчний та фазовий склади поверхневих шарiв, якi забезпе-чать максимальн експлуатацiйнi параметри деталей машин. Таких оптимальних властивостей поверхневих шарiв не завжди можна досягнути за допомогою стандартних теxнологiй змщнення, що вимагають використання кiлькоступеневоí обробки поверхонь за допомогою високоенергетичних ме-тодiв обробки, зокрема, з використанням електрич-них розрядiв, лазерiв тощо.
Вiдомi приклади застосування теxнологiй для комплексного змщнення поверхн деталей машин [1-6], як дозволили значно тдвищити зно-состiйкiсть i довговiчнiсть конструктивних еле-ментiв.
Нами проведенi дослщження змiни фiзико-ме-xанiчниx характеристик поверхневих шарiв (мiкрот-вердостi i мiкроструктури) сталей пiсля застосування технологи електроюкрового легування (Е1Л), лазерного легування з оплавленням (ЛО) поверхн та послiдуючого юнного азотування в плазмi тлючо-го розряду.
Методика експериментальних дослщжень
Дослiдження проводилися на сталях 45, 30ХГСА i 20Х13. Зразки виготовлялись зi сталей, що досл-iджувались без попередньоТ термiчноí обробки i мали шорсткють Ra = 0,125 мкм. На зразки зi сталi 45 наносились покриття з твердого сплаву ВК8 методом Е1Л на установи ЕЛФА-541 за таким тех-нолопчним режимом: дiаметр легуючого електрода - 1 мм, частота обертання електрода - 600 хв .-1, емнють конденсаторного блоку - 1 мкФ, тривалють iмпульсiв - 12 мкс, сила струму - 12,8 А, швидкють проходу - 0,8 мм/с, ктькють проxодiв - 2, товщина покриття - 10 мкм. Пюля цього покриття опромЫю-
валося лазерним променем в режи1^ термiчноT обробки та оплавлення поверхн за параметрами, що наведено нижче.
Зразки зi сталей 45, 30ХГСА, 20Х13 легували лазерним оплавленням тонких шарiв з порошкiв металiв, 1'х сумш та твердого сплаву ВК8, що наносили на поверхню перед легуванням за допомогою клею БФ-2. Легування проводили на лазернм установцi КВАНТ-18М за таким режимом: пляма опромЫювання - 4 х4 мм, густина енерги iмпульсу
- 1,2......2,2 Дж/мм2, тривалють iмпульсу - 3 мкс,
довжина хвилi опромiнювання - 1,04 мкм; коефiцieнт перекриття - 0,2.
ВЫ зразки пюля легування азотувалися в плазмi тлiючого розряду. Азотування проводилось за режимом: температура дифузного насичення - 650 °С, тиск насичуючого середовища - 250 Па, склад насичуючого середовища - 25 об. % N2 + 73 об. % Аг + 2 об. % Н2, час азотування 180 хв.
Вимiрювання мiкротвердостi проводилося на мiкротвердомiрi ПМТ-3. Мiкроструктурнi дослд ження проводилися методом металографи з використанням мiкроскопа М1М-10 та растрово' мiкроскопil' з використанням мiкроскопа РЕМ-101М.
Результати експериментальних дослщжень
В таблиц 1 наведенi результати вимiрювань мiкротвердостi i товщини змщненого поверхневого шару зразкiв iз рiзних сталей пiсля комплексно''' обробки поверхн методами Е1Л, лазерного легування рiзними методами при рiзних значеннях гус-тини енерги iмпульсу (з оплавленням поверхн та без оплавлення) i послiдуючим iонним азотуванням в плазмi тлiючого розряду. З результалв, що наведенi у таблиц 1, можна зробити висновок, що в залежносл вiд методу змщнення, параметрiв легування i легуючого елемента одержували рiзнi поверхневi шари iз твердiстю вiд 5200 до 9890 МПа та товщиною вщ 20 до 110 мкм. Твердють змщне-ного поверхневого шару залежить вщ структури матерiалу та ктькосл карбiдiв легуючих елементiв, що утворюються в розплавi при ди лазерного про-меня або електрично''' дуги. Товщина змщненого шару залежить вщ густини енергГ iмпульсу лазерного променя. Чим вища концентра^я карб^в за-
© В. Г. Каплун, П. В. Каплун, Ю. I. Шалапко, 2007
- 132 -
лiза та легуючих елеменлв в поверхневому шарi сталi та бiльша густина енерги iмпульсу лазерного променя, тим бiльша твердiсть i товщина змщне-ного шару (режим 2 з таблиц 1). Так при густин енерги iмпульсу лазерного променя 1,6 Дж/мм2 товщина змiцненого шару склала 52 мкм i концен-трацiя карб^в вольфраму була бiльшою в по-рiвняннi з режимом 2, де товщина змщненого шару склала 110 мкм, при густин енерги iмпульсу лазерного променя 2,2 Дж/мм2. Мiкротвердiсть по-верхнi змiцненого шару дорiвнювала вiдповiдно 5910 та 5200 МПа.
Дослщженнями встановлено, що пюля iонного азотування всiх легованих зразюв мiкротвердiсть поверхнi значно збiльшувалась (табл. 1). Це можна пояснити тим, що в результат юнного азотування утворилися нiтриди залiза (МеЫ, Ме2^Ы, МвдЫ), що мають високу твердють.
Таблиця1
Азотованi шари, що утворюються в результатi iонного азотування, мають на поверхн нiтридну зону, товщина яко'Г може складати вщ 1 до 10 мкм, та зону внутршнього азотування товщиною до 400 мкм. Зона внутршнього азотування скпадаеться, в основному, з твердого розчину азоту в залiзi (а-фаза) з рiзною концентрацieю азоту, що поступово зменшуеться вiд нпридноТ зони до серцевини. Тов -щиною i фазовим складом нпридноТ зони та зони внутрiшнього азотування можна керувати за допо-могою технологiчних параметрiв iонного азотування i тим самим впливати на фiзико-механiчнi характеристики конструкцiйних елеменлв i Тх поверхнi [7, 8, 9].
№ п/п Марка сталi Вихщна мжротвердють поверхш зразюв Н100, МПа Метод легування поверхш Густина енерги iмпульсу при лазерному легуванш, Дж/мм2 Мжротвердють поверхш шсля легування Н100, МПа Мжротвердють поверхш шсля азотування Н100, МПа Товщина змщненого шару шсля легування, мкм
1 Сталь 45 2200 ЛО (Nb) 1,2 7180 10950 20
2 Сталь 45 2400 Е1Л (ВК8) + ЛО 2,2 5200 8710 110
3 Сталь 45 2350 ЛО (ВК8) 1,6 5910 13200 52
4 30ХГСА 3650 ЛО (W) 1,8 7200 11700 55
5 30ХГСА 3120 ЛО (Nb) 1,6 5820 13360 50
6 20Х13 2370 ЛО (Ti + Ni) 1,6 7860 8200 45
7 20Х13 2280 ЛО (Nb) 1,6 7250 11450 48
8 20Х13 2240 ЛО (Mo) 1,6 9890 10800 42
а х250
Рис. 1. Микроструктура поверхневого шару сталi 45 пюля:
а - Е1Л (ВК8) з глибоким лазерним оплавленням (ЛО) i послщуючим iонним азотуванням в тл^чому розрядi; б - Е1Л (ВК8) - з поверхневим лазерним оплавленням покриття ВК8 + послщуюче юнне азотування; в - фрагмент мiкрострук-тури поверхневого шару ЛО (ВК8) + азотування (растрова мкроскотя)
Твердють зразкв на глибин 50 мкм в 1,5......2
рази перевищувала вихщну (рис. 1, 2). Дослщжен-нями багатьох авторiв [10, 11, 12] показано, що в результат лазерного легування i лазерного гарту-вання на поверxнi утворюеться мiкродисперсна структура, що приближаеться до аморфноТ з утво-ренням в зон термiчного впливу переxiдноí зони з грубозернистою структурою.
На рис. 1, а показана мiкроструктура поверхне-вого шару oi^i 45 пiсля електроюкрового легування сплавом ВК8 з наступним глибоким лазерним оп-лавленням поверхн (Е1Л (ВК8) +ЛО) та лазерного легування поверхн в режимi мiкрооплавлення по-криттям ВК8 (рис. 1, б). Грубозернисту структуру поверхневого шару досить чггко видно, а також ф^суеться й переxiд в дрiбнозернисту (рис. 1, в). На поверхн змiцненого шару е тонкий нтридний
прошарок (1,5......2 мкм) бтого кольору, котрий мае
дуже високу мiкротвердiсть (8710......13200 МПа),
котра поступово зменшуеться по глибин зразка.
На рис. 2 представлена мiкроструктура змщне-ного шару зразкiв iз сталей 30ХГСА i 20Х13 пiсля лазерного легування вольфрамом, молiбденом i нiобiем та послiдуючим iонним азотуванням. Рис. 2 (а, в, г) свщчать, що пюля лазерного легування вольфрамом i нiобiем iснуе рiзка границя мiж змiцненим шаром i основою, причому перехщна
a х150
зона, ледь помина, хоча й мае досить велик роз-мiри (до 50 % вщ зони легування). Пюля лазерного легування молiбденом iснуе невелика (рис. 2, б) перехщна зона, що мае збтьшены зерна в структурi матерiалу. Це можна пояснити тим, що вольфрам i нiобiй е бiльш активними карбщоут-ворюючими елементами нж молiбден, що i впли-нуло на утворен мiкроструктури перехiдних зон, та у прошарках термiчного впливу при лазерному легуванн. На поверхн змiцненого шару всiх зразкв добре розрiзняеться бiлий шар нiтридiв, товщиною 1,5......2 мкм.
Таким чином, на основi проведених дослщжень показано, що застосування комплексно'' технологи змщнення iз застосуванням електроюкрового та лазерного легування поверхн металiв з послщую-чим iонним азотуванням дозволяе отримати мш^ бiльш висок фiзико-механiчнi властивостi поверх-невих шарiв з рiзним фазовим складом (карбщами та нiтридами залiза i легуючих елементiв) та град^ ентною структурою i твердiстю по глибин зразкiв. Цими властивостями можна добре керувати, що сприятиме пдвищенню експлуатацйних характеристик конструк-цiйних елементiв.
б х794
в х200 гх180
Рис. 2. М1кроструктура поверхневого шару пюля лазерного легування р1зними елементами з оплавленням I послщуючим
юнним азотуванням в тл1ючому розряд1:
а - сталь 30 ХГСА - лазерне легування вольфрамом ЛО + азотування - енерпя 1мпульсу2,2 Дж/мм2; б - сталь 20Х13 - лазерне легування мол1бденом ЛО (Мо) + азотування - енергя 1мпульсу 1,8 Дж/мм2; в - сталь 30 ХГСА - лазерне легування нюб1ем ЛО^Ь) + азотування - енергя 1мпульсу 1,9 Дж/мм2; г - сталь 30ХГСА - лазерне легування нюб1ем ЛО ^Ь) + азотування - енергя 1мпульсу 2,2 Дж/мм2
Перелш посилань
1. Комплексное упрочнение лопаток компрессора. /В.Г. Каплун, В.А. Богуслаев и др./ Вюник двигунобудування №1/2002. - Видавн. ОАО «Мотор Ci4». - Запорiжжя, 2002. - С. 96-100.
2. Патент №22015А Споаб отримання комбЫова-них покриттiв тугоплавких металiв. /Каплун В.Г., Олександренко В.П., Пастух 1.М., Пилипiв О.В., 1997 р.
3. Каплун П.В. Вплив покритлв на зносослйкють i довговiчнiсть пiдшипникiв кочення. //Пробле-ми трибологи (Problems of Tribology) - Хмель-ницький. - 2003. - №4. - С. 131-140.
4. Шалапко Ю.1., Каплун В.Г., Гончар В.В. Моди-фiкування сталi 45 лазерним випромЫюванням/ /Вiсник Технологiчного унiверситету - 2002. -ч. 1.- №5. C. 164-168.
5. Norbert Radek, Jurij Szalapko. Manufacture of heterogeneous surfaces by electro- spark deposition and laser beam/Шюник двигунобуду-вання-2006. - № 2 - C. 208-210.
6. Radek N., Szalapko J. Powioki elektroiskrowe WC-Co modyfikowane wi№zk№ laserow№// Пробле-ми трибологи.- 2006.- №3. - С. 88-92.
7. Лахтин Ю.М., Коган Я.Д. Азотирование стали.
/ - М.: Машиностроение. -1976. -256 с.
8. Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов в активированных газовых средах. / - М.: Машиностроение. - 1976. - 224 с.
9. Каплун В.Г., Каплун П.В. Вплив технологи на-несення дифузмних покритлв на характеристики мщносл i пластичносл конструкцмних сталей. // Вюник Технолопчного уыверситету Под-тля, Хмельницький. - 1999. -№3. - С. 7-10.
10. Совместное применение лазерной обработки и поверхностной пластической деформации после электроискрового легирования стали хромом /Берегев Г. А., Браталов В.П., Пепеляев В. В.// Электронная обработка материалов. -1990. - №1. - C. 7-9.
11. Григорьянц А. Г., Сафонов А. Н. Методы поверхностной лазерной обработки. М., Высшая школа, 1987. - C. 192.
12. Y.I. Shalapko, V.G. Kaplun .Fretting-wear of constructional steel 1045 after laser modification of surface// Applied mechanics and engineering -2002. - volume 7, p.425-431.
Поступила в редакцию 20.06.2007
Приведены результаты экспериментальных исследований свойств поверхности конструкционных сталей после упрочнения с использованием комплексных технологий электроискрового и лазерного легирования с последующим ионным азотированием.
The article deals with the results of experimental investigations of surface properties of structured steels after strengthening with complex technologies of electro-sparkling and laser alloying with subsequent ionic nitriding.
