CC BY
25
УДК 621.78
В.И. Проскуряков, С.С. Ширин, С.А. Бородина, А.Г. Темралиева
ЛАЗЕРНАЯ МОДИФИКАЦИЯ ПОВЕРХНОСТИ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ ХРОМОНИКЕЛЕВОЙ СТАЛИ 12Х18Н10Т ПОРОШКОМ ДИОКСИДА ТИТАНА
Аннотация. Представлены результаты исследования лазерной порошковой модификации поверхности нержавеющей стали аустеиитпого класса 12Х1ННI ОТ частицами диоксида титана дисперсностью < 25 им. Проведен сравнительный анализ гранулометрического состава модифицированной поверхности. Определены зависимости суммарной пористости и микротверОостн поверхности опытных образцов от режимов лазерного возОействия.
Ключевые слова: нержавеющая хромоникелевсш сталь, поверхностное упрочнение, контактное трение, лазерная импульсная обработка
V.I. Proskuryakov, S.S. Shirin, S.A. Borodina, A.G. Temraliyeva
LASER SURFACE MODIFICATION OF THE STAINLESS 12X18H10T STEEL USING TITANIUM DIOXIDE POWDER
Abstract. The outcome of the laser surface modification of the austenitic stainless 12X18H10T steel by means of titanium dioxide particles with the dispersion degree at < 25 nm is provided. A comparative analysis of the grain-size composition of the modif ied surface is carried out. The dependence of total porosity and microhctrdness of the surface of test samples on the laser exposure modes is determined.
Keywords: stainless chromium-nickel steel, surface hardening, contact friction, laser pulse processing
ВВЕДЕНИЕ
Нержавеющая хромоникелевая сталь марки 12Х18Н10Т за счет высокой коррозионной стойкости широко применяется в химической, пищевой, машиностроительной, медико-технической и других отраслях промышленности [1-5]. Однако зачастую изделия из нержавеющих сталей, работающие в условиях контактного трения, под воздействием повышенных температур и вибронагрузок подвергаются преждевременному износу. В этой связи возникает необходимость продления срока службы таких изделий. Для повышения их эксплуатационных характеристик применяют различные методы поверхностного упрочнения. На сегодняшний день наиболее актуальной технологией модификации поверхностного слоя металлов и сплавов является обработка поверхности лазерными импульсами. Основными преимуществами лазерной обработки являются: возможность формирования высокопрочного поверхностного слоя с заданными параметрами структуры и физико-механических свойств.
Лазерная импульсная обработка позволяет проводить такие технологические операции, как поверхностная закалка, сварка, легирование и наплавка. В частности, лазерную порошковую наплавку можно проводить подачей легирующего элемента в область воздействия импульса при помощи специального оборудования или предварительным нанесением легирующего материала на обрабатываемую поверхность. В результате анализа научно-технической литературы установлено, что обеспечению высокой адгезии порошковых материалов и активному протеканию диффузии легирующих элементов в поверхностный слой металла способствует создание исходной шероховатости поверхности. Также известно, что
81
для формирования мелкозернистой структуры из мартенсита и остаточного аустенита, а также повышения износостойкости и уменьшения склонности к межкристаллитной коррозии в состав низкоуглеродистых сталей вводят титан и ниобий [6-8].
В связи с этим целью настоящей работы являлось определение влияния лазерной порошковой наплавки диоксида титана (анатаза) на морфологические характеристики, гранулометрический состав и микротвердость модифицированной поверхности стали 12Х18Н10Т.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Исследования проводили на образцах нержавеющей хромоникелевой стали 12Х18Н10Т в виде пластин размерами 10x10x4 мм. Образцы подвергались предварительной абразивноструйной обработке (АСО) частицами порошка электрокорунда дисперсностью 200-250 мкм.
Образцы очищали от технологических загрязнений методом ультразвуковой очистки с использованием ванны «Кристал-2.5» в водном растворе этилового спирта в течение 20 мин.
В качестве легирующего материала использовался порошок диоксида титана с кристаллической решеткой анатаза дисперсностью < 25 нм. Порошок наносился на поверхность образцов равномерно распределённым слоем толщиной 150-250 мкм. Модифицирование поверхностного слоя проводили на автоматизированной установке для термофизической когерентной модификации поверхности LRS-50A при напряжении импульса U = 250, 300, 350 и 400 В и длительности т импульсного воздействия 1 мс. Луч фокусировался в пятно диаметром 0,5 и 1 мм. Сканирование поверхности осуществлялось при частоте следования импульсов 10 Гц и коэффициенте перекрытия 0.25.
Морфология и микротвердость поверхности исследовались с использованием микротвердомера ПМТ-ЗМ и его оптической системы. Анализ структуры поверхности проводили согласно известной методике по изображениям участков поверхности площадью 0,5 мм с применением программного комплекса «Metallograph» [9]. Статистическую обработку результатов исследования проводили с использованием компьютерной программы DataFit 9.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Поверхность стали после лазерной обработки характеризуется равномерно распределенным рельефом. Визуализируются существенные отличия у поверхностей, модифицированных при одном значении напряжения импульса, но при разных диаметрах сфокусированных в пятно лазерных импульсов (рис. 1).
Рис. 1. Поверхность опытных образцов после лазерной порошковой модификации: - 1 - и = 400 В и с! = 0,5 мм, 2 - и = 400 В и с! = 1 мм
Согласно проведенному гранулометрическому анализу модифицированной поверхности установлено, что при увеличении диаметра и напряжения импульса существенно увеличиваются средний размер пор и частиц (приблизительно в два раза). При диаметре пятна излучения с! = 0,5 мм наблюдается значительное уменьшение количества пор (в три раза) с увеличением напряжения импульса. Количество и размер зерен при этом остается практически неизменным. Следует отметить рост пор с 5 ± 1 мкм до 10 ± 1 мкм и зерен с 6 ± 1 мкм до 12 ± 1 мкм у поверхностей, обработанных при диаметре пятна излучения й = 1 мм (таблица 1).
Таблица 1
Результаты гранулометрического анализа поверхности стали 12Х18Н10Т _после лазерной порошковой модификации_
Режимы лазерной обработки Характеристики поверхности стали
Частицы Поры
d, мм и, В Кол-во, шт. Среднее значение, мкм Дисперсия, мкм 2 Кол-во, шт. Среднее значение, мкм Дисперсия, мкм 2 Суммарная пористость. %
0.5 250 742 6,83 18,08 1209 6,34 14,24 44
300 753 7,56 16.92 550 7,97 21,77 56
350 663 8,66 17,60 488 5,57 21,33 41
400 796 7,74 17,44 445 9,05 26,09 48
1 250 832 5,39 13,66 592 6,67 16,10 67
300 291 7,3 23,65 500 6,89 18,12 30
350 1319 7,47 5,87 1315 7,97 6,43 69
400 446 10,32 22.48 178 12,34 36,60 60
Одной из значимых характеристик поверхности является пористость (Р, %). По результатам измерений была построена эмпирическая модель зависимости открытой пористости от режимов лазерного воздействия (таблица 1, рис. 2).
Рис. 2. Зависимость пористости (Р, %) модифицированной поверхности стали от напряжения и диаметра импульса
Построенная модель описывается регрессионным уравнением:
(Р - 301376,5-9.25хХ1+156361,5хХ1-0,041хх13+27031,9хх14- 1556,9хХ!5-
107,407 хх2+81,48 хХ22),
где: X] - напряжение импульса (и, В) и х? - диаметр сфокусированного в пятно лазерного импульса (с1, мм).
На построенной эмпирической модели видно, что общая пористость поверхности хромоникелевой стали зависит в большей степени от напряжения импульса (рис. 2). С уменьшением этого параметра величина открытой суммарной пористости значительно снижается. Следует отметить, что самая низкая пористость наблюдается при минимальных значениях напряжения импульса (и = 280 - 260 В).
Результаты измерения микротвердости модифицированной поверхности образцов нержавеющей хромоникелевой стали 12Х18Н10Т показали ее существенное увеличение в отличие от исходной - с 1,4 ± 0,2 ГПа до 4,04 ± 0,2 ГПа (таблица 2).
Таблица 2
Результаты измерения микротвердости поверхности стали 12Х18Н10Т после лазерной порошковой модификации
Режимы лазерной обработки М икротвер д ость
При нагрузк о,4 е на индентор Ю Н При нагрузке на индентор "1,96 Н
<1. мм и, В НУ ГПа НУ ГПа
0,5 250 272±0,2 2,66±0,2 246±0,2 2,41 ±0,2
300 150±0,2 1,47±0,2 271 ±0,2 2,65±0,2
350 210±0,2 2,06±0,2 338±0,2 3,31 ±0,2
400 257±0,2 2,5±0,2 412±0,2 4,04±0,2
1,0 250 202±0,2 2,0±0,2 445±0,2 2,56±0,2
300 150±0,2 1,47±0,2 232±0,2 2,27±0,2
350 192±0,2 1,88±0,2 205±0,2 2,01 ±0,2
400 225±0,2 2,2±0,2 312±0,2 3,06±0,2
По полученным результатам измерения была построена эмпирическая модель зависимости микротвердости модифицированной поверхности от напряжения импульса и диаметра лазерного импульса (рис. 3).
Рис. 3. Зависимость микротвердости модифицированной поверхности стали от режимов лазерного импульсного воздействия
Построенная эмпирическая модель описывается регрессионным уравнением:
H - 42,77 0,284*Х!-6,03 Х2-3,40*хг 77,44лу-0,355^xix2,
где: Х] - напряжение импульса (U, В) и х2 - диаметр сфокусированного в пятно лазерного импульса (d, мм).
ВЫВОДЫ
В ходе экспериментов было установлено, что лазерная порошковая модификация диоксидом титана (анатазом) при определенных параметрах лазерного импульса приводит к формированию равномерно распределенного поверхностного слоя. Модифицированная поверхность характеризуется повышенными показателями микротвердости. Максимальное значение микротвердости H = 4,04 ± 0,2 ГПа было получено при напряжении импульса U = 400 В и диаметре импульса d = 0,5 мм.
Исследования выполнены в рамках гранта РФФИ (конкурс на лучшие проекты фундаментальных научных исследований, выполняемые молодыми учеными, обучающимися в аспирантуре - «Аспиранты»), проект № 19-33-90101.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Родионов И.В., Ромах и н А.Н. Изменение микротвердости нержавеющей хромо никелевой стали 12X18Н9Т при упрочняющей термической обработке на воздухе и в среде перегретого водяного пара / Материалы II Междунар. научн.-практ. конф. «Перспективное развитие науки, техники и технологий». В 2-х томах. Курск: Юго-Зап. гос. ун-т. Том 2. С. 88-91.
2. Родионов И.В. Металлооксидные имплантационные системы в современной медицинской технике // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. Т.10. №1. 2013. С. 98-104.
3. Родионов И.В., Ромахин А.Н. Термическое оксидирование как технология упрочняющей обработки поверхности стали 12X18Н9Т // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2013. №6 (24). С. 37-43.
4. Родионов И.В., Фомин A.A., Ромахин А.Н. Применение процессов термического оксидирования для упрочнения поверхности стали 12Х18Н9Т// Технология металлов. 2013. №10. С. 24-32.
5. Ромахин А.Н., Родионов И.В., Фомин A.A., Пошивалова Е.Ю. Металлокерамические оксидные покрытия в производстве шнековых осадительных центрифуг из нержавеющих хромоникелевых сталей / Сб. трудов II Междунар. научн.-практич. конф. «Инжиниринг Техно». Саратов: Издательский дом «Райт-Экспо». 2014. Т. 2. С. 49-57.
6. Григорьянц А.Г., Шиганов И. Н., Мисюров А. И. Технологические процессы лазерной обработки. -М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2006. - 664 с.
7. Ким В.А., Башков О.В., Сатаева И.В. Локальное лазерное легирование нержавеющей стали 12Х18Н10Т // Ученые записки Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета. 2016. Т. 1. №. 2. С. 64-70.
8. Проскуряков В.И., Родионов И.В., Кошуро В.А., Куц Л.Е., Перинская И.В. Изменение морфологии, структуры и микротвердости образцов циркониевого сплава в результате воздействия лазерными импульсами //Письма в ЖТФ. 2020. Т. 46. В. 1. С. 12-15.
9. Fomina M., Koshuro V., Papshev V., Rodionov 1., Fomin A. Surface morphology data of tantalum coatings obtained by electrospark alloying Data in Brief. 2018. 20. P. 1409-1414.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Проскуряков Виталий Игоревич — Vitaly Т. Proskuryakov —
аспирант Саратовского государствен- Postgraduate Yuri Gagarin State
ного технического университета Technical University of Saratov
имени Гагарина Ю. А.
Моб. тел. 8962-617-0770
Ширин Станислав Сергеевич -
студент (бакалавр) 6МЕТЛ-41 Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. Моб. тел. 8909-341-7709 Бородина Софья Александровна -студент (бакалавр) 64СТЗС-21 Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю. А. Моб. тел. 8960-353-8086
Темралиева Анжелика Гилмовна -
студент (бакалавр) 6МЕТЛ-41 Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. Моб. тел. +7964-849-3198
Статья поступила в редакцию 20.02.20, принята к опубликованию 15.03.20
Stamslav S. Shirin -
Bachelor Student Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Sofya A. Borodina -
Bachelor Student Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Angelika G. Temralieva -
Bachelor Student Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
