CC BY
15
УДК 621.78
И.В. Родионов, В.И. Проскуряков
ЛАЗЕРНАЯ МОДИФИКАЦИЯ ПОВЕРХНОСТИ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ ХРОМОНИКЕЛЕВОЙ СТАЛИ 12Х18Н10Т В СЛОЕ СМЕСИ ГРАФИТОВОЙ ПАСТЫ И НАНОДИСПЕРСНОГО ПОРОШКА АНАТАЗА
Аннотация. В работе представлены результаты исследования влияния лазерного модифицирования нержавеющей стали аустенитного класса 12Х18Н10Т на качественные показатели и физико-механические характеристики поверхности. Проведены сравнительные исследования изменения микротвердости модифицированного слоя. По полученным результатам построена эмпирическая модель зависимости микротвердости от режимов лазерной импульсной обработки в слое смеси графитовой пасты и нанодисперсного порошка анатаза. Установлена зависимость суммарной пористости обработанной поверхности от режимов лазерного воздействия. Профилометрическим методом исследованы шероховатость и характер микрорельефа поверхности с определением числовых значений параметров высоты микронеровностей и шага выступов профиля.
Ключевые слова: лазерная модификация, графитовая паста, нанодисперсный порошок ана-таза, микротвердость модифицированного слоя
I.V. Rodionov, V.I. Proskuryakov
LASER SURFACE MODIFICATION OF THE STAINLESS CHROME-NICKEL STEEL 12CH18N10T IN THE LAYER OF GRAPHITE PASTE MIXTURE AND NANODISPERSED ANATASE POWDER
Abstract. The paper presents the results of research into effect of laser modification of the austenitic stainless steel 12H18N10T on the quality indicators and physical-mechanical characteristics of the surface. A comparative study of the changes in the microhardness of the modified layer was conducted. Based on obtained results, an empirical model for the dependence of microhardness on the modes of laser pulse processing in the graphite paste mixture layer and nanodispersed anatase powder is designed. Dependence of total porosity of the treated surface on the modes of laser action is established. Profilometric methodology is used to investigate the roughness and property of the surface microrelief, as well as to define numeric parameters of the surface finish and profile peak step size.
Keywords: laser modification, graphite paste, nanodisperse anatase powder, microhardness of the modified layer
ВВЕДЕНИЕ
Нержавеющая хромоникелевая сталь марки 12Х18Н10Т благодаря высокой коррозионной стойкости и другим эксплуатационным характеристикам нашла широкий спектр применения в различных отраслях отечественной и зарубежной промышленности. Зачастую изделия, изготовленные из хромоникелевых сплавов, функционируют в условиях контактного трения и продолжительного воздействия агрессивных сред. Примером таких изделий могут служить ответственные элементы запорной нефте- и газопроводной арматуры, такие как клиновые задвижки и уплотнительные посадочные кольца, плоские кольца шнековых осади-тельных центрифуг и др. В процессе продолжительной эксплуатации рабочая поверхность таких изделий подвержена преждевременному износу. В этой связи становится актуальным вопрос продления срока службы изделий, решить который возможно за счет модификации их поверхностного слоя [1-4].
На сегодняшний день к наиболее эффективным методам поверхностной обработки различных конструкционных материалов можно отнести лазерное легирование. Преимущественные качества технология лазерного легирования приобретает благодаря высокой плотности энергии импульса, обеспечивающей высокую скорость нагрева и охлаждения обрабатываемого локального участка поверхности, а также за счет малого времени воздействия импульсного излучения на обрабатываемую поверхность. В результате такого способа модификации характерна локальность теплового воздействия на поверхность и, как следствие, отсутствие коробления заготовок.
К преимуществам лазерного легирования следует отнести: воспроизводимость параметров и свойств поверхностного слоя; высокую скорость процесса и достижение повышенного качества обрабатываемой поверхности; возможность получения узких локальных зон с заданным химическим составом; экономия дорогостоящего легирующего материала; отсутствие необходимости в последующей механической и термообработке; экологическая чистота процесса легирования [5, 6].
Лазерное модифицирование и лазерное легирование можно осуществлять подачей легирующего элемента (смеси элементов) в зону импульсного воздействия при помощи специального оборудования, нанесением легирующего порошка на обрабатываемую поверхность, легированием в жидкой или газообразной среде, путём предварительной обмазки обрабатываемой поверхности определённым компонентным составом. Согласно проведенному литературному анализу сегодня наиболее активно развивается способ лазерного легирования пастами. Широкую популярность данный способ нашел благодаря своей относительной простоте реализации. Наиболее распространенными неметаллическими компонентами легирующей обмазки считаются углерод, аммиачная соль и бор, которые смешивают с жидкой фазой для образования однородной суспензии. Однако способ лазерного модифицирования с предварительным нанесением на обрабатываемую поверхность легирующих обмазок имеет определенные недостатки, а именно опасность трещинообразования, возникающую за счет появления больших внутренних напряжений и вероятность повышения пористости из-за выделения газов при выгорании различных неметаллических включений в основе обрабатываемого металлического материала [7, 8]. Вместе с тем остается малоизученным влияние состава обмазок и технологических условий импульсного воздействия на механизмы протекания физико-химических процессов на обрабатываемых поверхностях, формирование их физико-механических свойств и показателей качества.
В связи с этим целью настоящей работы являлось определение зависимости микротвердости и пористости поверхности стали 12Х18Н10Т от режимов импульсного лазерного модифицирования в слое смеси графитовой пасты и нанодисперсного порошка анатаза, а также исследование изменения микрорельефа и параметров шероховатости обработанной поверхности.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Исследования проводили на образцах нержавеющей хромоникелевой стали 12Х18Н10Т, которые изготавливались в виде пластин размерами 5*5*3 мм. Опытные образцы подвергались предварительной абразивно-струйной обработке (АСО) частицами порошка электрокорунда дисперсностью 200-250 мкм, затем проходили очистку от технологических загрязнений с использованием ультразвуковой ванны «Кристал-2.5» в водном растворе этилового спирта в течение 20 минут.
В качестве обмазки использовалась смесь графитовой пасты (ГОСТ 8295-73) и порошка диоксида титана дисперсностью 25 нм с кристаллической решеткой анатаза. Компоненты обмазки смешивались до образования однородной массы, которая наносилась на поверхность образцов равномерно распределённым слоем толщиной 150-200 мкм.
Лазерную обработку проводили на автоматизированной установке для термофизической когерентной модификации поверхности LRS-50A при напряжении импульса U 250, 300, 350, 400
и 450 В и длительности т импульсного воздействия 0,5 мс. Луч фокусировался в пятно диаметром 0,5 и 1 мм. Частота сканирования поверхности составляла 20 Гц.
Исследования морфологических особенностей и измерение микротвердости поверхности проводили с использованием оптической системы микротвердомера ПМТ-3М. Анализ открытой пористости проводили согласно известной методики по изображениям участков поверхности площадью 0,5 мм с использованием программного комплекса «Metallograph». Статистическую обработку результатов проводили с использованием компьютерной программы DataFit version 9.0.59.
В качестве оборудования для измерения параметров шероховатости поверхности применялся цифровой профилограф-профилометр «Mitutoyo Surftest SJ-410».
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Исследование морфологии модифицированной поверхности образцов их хромоникеле-вой стали показали, что в результате лазерного легирования на обрабатываемой поверхности происходит формирование чешуйчатой структуры. Сформировавшийся поверхностный слой характеризовался структурно-упорядоченным строением, где отчетливо наблюдались равномерно распределенные микровыступы и микровпадины в виде открытых пор. Следует отметить, что геометрические размеры сформировавшихся в результате лазерной импульсной обработки углублений увеличивались с повышением энергии импульса.
По результатам измерения микротвердости легированной поверхности была построена эмпирическая модель зависимости числа микротвердости от режимов лазерной обработки (напряжения импульса и диаметра сфокусированного в пятно лазерного импульса) (рис. 1).
Рис. 1. Зависимость микротвердости (Н, ГПа) поверхности нержавеющей хромоникелевой стали от режимов лазерного легирования в слое смеси графитовой пасты и порошка анатаза
Построенная эмпирическая модель описывается регрессионным уравнением: Н=(-500909,85)+4,62Х1П(Х1)+349554,81Х1П(Х2)+ (-1415,51) *1п(х2)2+ 10618,69*1п(х2)3+(-462,26) Х1п(х2)4, где: х1 - диаметра пятна излучения мм); Х2 - напряжение единичного импульса (С, В);
Коэффициент множественной детерминации для данной модели R достигал ~ 0,6825 т.е. полученная математическая модель на 68,25 % удовлетворяла экспериментальным данным.
Одной из наиболее важных характеристик поверхности является пористость (Р, %). По результатам измерений была построена эмпирическая модель зависимости открытой пористости от режимов лазерного воздействия (рис. 2).
Построенная эмпирическая модель описывается регрессионным уравнением P = (-6016,29) + 8429706,24^ + (-4336280884,20)/xl2 + 973920078004,9/х^ +
(-80630156251638,5)/xl4 + 8,6/х2,
где: хI - диаметра пятна излучения (d, мм); Х2 - напряжение единичного импульса (С, В); Достоверность данной модели составляет 78,40 %.
Шероховатость и микрорельеф модифицированной поверхности определялись про-филометрическим методом. С помощью данного метода по десяти базовым линиям были определены такие параметры микронеровностей, как Еа (среднее арифметическое отклонение профиля), Яг (средняя высота неровностей профиля), Етах (наибольшая высота профиля), 8т (средний шаг местных выступов профиля), а также В (плотность микровыступов) (таблица). На основании полученных данных измерения профиля легированной поверхности в автоматическом режиме строилась отражающая микрорельеф профилограмма.
Рис. 2. Зависимость открытой пористости (Р, %) поверхности нержавеющей хромоникелевой стали от режимов лазерного легирования в слое смеси графитовой пасты и порошка анатаза
Результаты измерения параметров микронеровностей поверхности стали 12Х18Н10Т после лазерного модифицирования в слое экспериментальной легирующей обмазки
Режимы лазерного Параметры шероховатости
легирования Яа, мкм Яг, мкм Ятах, мкм Бт, мкм В, 1/см
ё, мм и, В
250 1,95 9,08 15,68 135,4 71,42
300 2,57 9,58 18,05 140,1 71,16
0,5 350 2,85 11,21 16,91 141,5 71,04
400 6,75 24,00 41,63 218,7 45,45
450 31,03 116,15 269,24 960 10,41
250 2,10 10,72 21,73 90,4 111,11
300 3,37 13,93 17,64 456,6 21,73
1 350 2,50 10,01 18,982 487,7 20,40
400 1,31 4,73 23,50 432,6 23,25
450 2,74 10,15 18,05 216,2 45,46
Профилометрические измерения параметров шероховатости исходной поверхности после абразивноструйной обработки показали, что параметры профиля соответствуют значениям Еа = 0,8 мкм, Ег = 3 мкм, Етах = 4 мкм и 8т = 8 мкм. В результате лазерного импульсно-
го легирования при увеличении напряжения импульса происходит повышение параметров шероховатости (таблица).
Эффект возрастания параметров шероховатости при повышении напряжения импульса, в первую очередь, связан с образованием на поверхности нержавеющей стали крупных углублений и частиц, формирующих неоднородную структуру и развитый микрорельеф.
В результате профилометрических измерений параметров шероховатости обработанной поверхности были построены соответствующие профилограммы (рис. 3 а, б).
Рис. 3. Профилограммы микрорельефа поверхности стали 12Х18Н10Т после лазерного легирования в слое экспериментальной обмазки при различных значениях напряжения импульса: а - при диаметре пятна импульса 0,5 мм, б - при диаметре пятна импульса 1 мм
Полученные профилограммы микрорельефа модифицированной поверхности характеризуются совокупностью множества выступов и углублений разной конфигурации, расположенных разнонаправлено относительно друг друга и относительно базовой линии профиля.
На основании проведенных исследований можно сделать вывод о том, что указанные в эксперименте режимы являются наиболее целесообразными для формирования механически прочного модифицированного поверхностного слоя на стали марки 12Х18Н10Т. При напряжении импульса и 280-300 В и диаметре пятна импульса 1 мм величина микротвердости может достигать 12,03±0,1 ГПа, что является следствием насыщения поверхности углеродом с дополнительным формированием на ней распределенного слоя высокотвердых наноразмерных частиц анатаза.
Полученные результаты позволяют рекомендовать внедрение разработанного способа поверхностной модификации к практическому применению и предложить к использованию новый компонентный состав легирующей обмазки для процессов лазерного импульсного упрочнения металлических поверхностей.
Исследования выполнены в рамках гранта РФФИ (конкурс на лучшие проекты фундаментальных научных исследований, выполняемые молодыми учеными, обучающимися в аспирантуре -«Аспиранты»), проект № 19-33-90101.
1. Родионов И.В., Фомин А.А., Ромахин А.Н. Газотермическое оборудование для получения упрочняющих оксидных покрытий на металлах и сплавах различного назначения // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2013. - № 9 (105). - С. 24-30.
2. Родионов И.В., Фомин А.А., Ромахин А.Н. Применение процессов термического оксидирования для упрочнения поверхности стали 12Х18Н9Т // Технология металлов. -2013. - № 10. - С. 24-32.
3. Fomin A., Fomina M., Koshuro V., Rodionov I. Composite metal oxide coatings on chromium-nickel stainless steel produced by induction heat treatment // Composite Structures. Vol. 229, 2019. pp. 111451.
4. Проскуряков В.И., Родионов И.В. Лазерное импульсное легирование коррозион-ностойкой хромоникелевой стали 12Х18Н10Т с использованием графитовой пасты // Упрочняющие технологии и покрытия. Т. 16. №5 (185), 2020. С. 224-228.
5. Gundel P. et al. Comprehensive microscopic analysis of laser-induced high doping regions in silicon // IEEE transactions on electron devices. - 2011. - Т. 58. - №. 9. - С. 2874-2877.
6. Гиржон В.В., Дмитренко Т.А., Танцюра И.В. Влияние температуры подложки на формирование квазикристаллической фазы в силумине после импульсного лазерного легирования // Физика и химия обработки материалов. -2015. - №. 2. - С. 57-62.
7. Белова С.А. Возможности лазерного легирования при изготовлении быстрорежущего инструмента // Современные проблемы науки и образования. - 2014. - № 6. - С. 110-110.
8. 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.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
заведующий кафедрой «Сварка и металлургия» Саратовского государственного технического
Родионов Игорь Владимирович -
доктор технических наук, профессор,
Igor V. Rodionov -
Dr. Sci. Tech., Professor, Head: Department of Welding and Metallurgy, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
университета имени Гагарина Ю.А.
Проскуряков Виталий Игоревич -
аспирант Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Vitaly I. Proskuryakov -
Postgraduate, Yuri Gagarin
State Technical University of Saratov
Статья поступила в редакцию 20.02.20, принята к опубликованию 15.03.2
