CC BY
2
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ
УДК 621.791.92 DOI 10.25960^.2019.2.19
Лазерное легирование стали 40Х карбидом вольфрама
Е. А. Морозов, А. Е. Шумков, А. А. Дроздов, Н. С. Юсибов
Рассматривается процесс лазерного легирования конструкционной стали 40Х карбидом вольфрама. Исследование спланировано по методу ортогонального центрального композиционного планирования для получения квадратичных зависимостей изучаемых параметров, таких как геометрия зоны легирования, содержание нерасплавленных частиц карбида вольфрама, а также микротвердость. Определены области варьирования для технологических режимов лазерного легирования. Выполнен анализ микро- и макроструктуры зон легирования и термического влияния, построены регрессионные модели зависимости содержания нерасплавленных частиц карбида вольфрама.
Ключевые слова: лазерное легирование, конструкционная сталь, карбид вольфрама, микротвердость, глубина проплавления, регрессионная зависимость, микроструктура.
Введение
Лазерное легирование как способ модификации поверхностного слоя деталей с повышенными требованиями к твердости и износостойкости широко востребовано в современном машиностроении. Производители нефтяной и аэрокосмической областей нуждаются в наиболее экономичных и технологичных методах поверхностного упрочнения, поэтому все большее внимание уделяется развитию и внедрению лазерных технологий.
Однако несмотря на научный и практический интерес, лазерные технологии, связанные с поверхностной обработкой, в настоящее время не получили должного развития и внедрения. Причиной этого является недостаточная изученность общих закономерностей изменения свойств обрабатываемых материалов в зависимости от фазового и структурного состояния при легировании различными материалами, что, в свою очередь, сдерживает разработку конкретных технологий и рекомендаций.
Цель работы — определение технологических параметров обработки, таких как мощность лазерного излучения, скорость движения
лазерной головки и подача порошка, при которых можно наиболее эффективно производить лазерное легирование стали 40Х карбидом вольфрама на установке Optomec Lens 850-R.
Лазерное легирование осуществляется путем введения в заданные участки поверхности различных компонентов, которые, смешиваясь с материалом основы, образуют сплавы или композиции требуемого состава [1].
Особенностью лазерного легирования как способа повышения твердости, износостойкости и коррозионной стойкости является изменение химического состава поверхностного слоя изделий. Модифицированию поверхности подвергаются черные и цветные металлы, такие как алюминий и титан.
Преимущества лазерного легирования следующие [1]:
1) высокая скорость процесса и достижение требуемого качества поверхностного слоя;
2) возможность получения узких локальных зон с заданным химическим составом;
3) экономия легирующего материала;
4) отсутствие необходимости последующей термообработки (или требуется только отпуск с нагревом не выше 200 °С);
5) экологическая чистота.
При локальном расплавлении и перемешивании материала подложки за счет конвективного теплообмена, сил поверхностного натяжения и эффекта Марангони происходит массоперенос по всей зоне расплава, чем обеспечивается равномерность свойств по глубине легированного слоя. Отличие строения зон, легированных лазером, от строения диффузионных покрытий состоит в отсутствии слоистости [1]. Термодиффузионное воздействие происходит в различных средах: газофазной, парофазной, жидкофазной, твердофазной [2].
В работе [2] исследован процесс получения покрытия из карбида вольфрама для стали 20Х13. Легирование производилось на установке Optomec LENS 850-R с лазером YLR-1000 IPG Photonics. Мощность лазера 1000 Вт, скорость сканирования 5-20 мм/с, расход порошка 2-10 г/мин. Исследуемый параметр -глубина проплавления. Установлены регрессионные зависимости между основными параметрами процесса и глубиной проплавления основы. Определена степень влияния параметров процесса и подтверждено, что наиболее существенное влияние на глубину проплав-ления основы оказывает скорость сканирования [2].
Влияние скорости сканирования и подачи порошка при лазерном легировании карбидом вольфрама WC конструкционной стали 20Х13 и стали 40Х на параметры получаемого покрытия описано в работе [3]. Эксперимент производился на том же оборудовании, что и в работе [2]. Произведено измерение микротвердости полученных образцов. Выявлена зависимость микротвердости покрытия в стали 20Х13 от глубины проплавления основы. Показано, что наибольшее влияние на микротвердость оказывает скорость подачи порошка. При режимах с минимальным значением скорости сканирования и наибольшим значением скорости подачи порошка формируется высокопористое внешнее покрытие. При режимах с минимальным значением скорости подачи порошка и наибольшим значением скорости сканирования покрытие практически не содержит нерастворившихся частиц WC.
Зависимости, полученные в рассмотренных работах, не в полной мере описывают
процесс лазерного легирования, в настоящей работе получены более точные квадратичные регрессионные зависимости, нежели линейные.
Материалы и методики исследования
Эксперимент спланирован по методике ортогонального центрального композиционного планирования. В качастве факторов, влияющих на параметры легируемого слоя, рассматриваются:
1) скорость перемещения лазера V (мм/с);
2) расход порошка 8 (об/мин — имеется в виду число оборотов вала устройства, подающего порошок).
Количество требуемых опытов определяется по формуле:
N = пк + 2к + 1 = 9, (1)
где п — число уровней; к — число факторов.
Принятые в эксперименте кодовые обозначения факторов и их уровни указаны в табл. 1.
Зависимость изучаемых параметров легированного слоя от выбранных факторов представлена полиномом второй степени вида
2 2
у = Ь0 + ¿>1^1 + £>2^2 + ^12^1X2 + ЬцХ 1 + £>22Ж 2,
(2)
где у — оцениваемый показатель наплавки (глубина проплавления основы, содержание карбидов, микротвердость и т. п.); кодированные значения факторов V, 8; Ьп — коэффициент уравнения регрессии.
В качестве материала подложки используется конструкционная легированная сталь 40Х.
Таблица 1
Кодовые обозначения факторов и их уровни
Фактор Кодовое обозначение Уровни факторов, соответствующие кодируемым значениям Шаг
Нижний Основной Верхний
v, мм/с 7,5 10 12,5 2,5
S, об/мин X2 2 4 6 2
WiinOOK
Образец для исследования получен из сортового проката и обработан на токарном станке для получения цилиндрической поверхности.
Химический состав стали 40Х, % [4]
С Si Mn Ni S
0,36-0,44 0,17-0,37 0,5-0,8 До 0,3 До 0,035
P Cr Cu Fe
До 0,035 0,8-1,1 до 0,3 ~97
Сталь используется при производстве таких деталей, как: оси, валы, валы-шестерни, плунжеры, штоки, коленчатые и кулачковые валы, кольца, шпиндели, оправки, рейки, зубчатые венцы, болты, полуоси, втулки и другие улучшаемые детали повышенной прочности.
В качестве внедряемого материала принят литой карбид вольфрама (рэлит) (WC) в виде порошка с частицами сферической формы размерностью 80-180 мкм. Карбид вольфрама обеспечивает стабильность карбидной фазы и тонкозернистую структуру металла, способствуя повышению его твердости и износостойкости. WC является химически стойким соединением по отношению к серной, соляной, ортофосфорной, хлорной, щавелевой кислотам, смесям серной и фосфорной, серной и щавелевой кислот.
Установка для лазерной наплавки LENS 850-R оснащена большой рабочей камерой размерами 900 X 1500 X 900 мм, что делает ее пригодной для изготовления, ремонта или доработки крупногабаритных деталей. Источником излучения является волоконный лазер мощностью до 1 кВт с диаметром сфо-кусировнного луча 0,2 мм. Установка предназначена для послойного изготовления разнообразных деталей из порошкообразного металлического (и неметаллического) сырья, нанесения покрытий, лазерной закалки и т. п.
Легирование велось в защитной атмосфере аргона (уровень кислорода в камере менее 0,001 %) с расходом попутного газа для подачи порошка на уровень 5 л/мин. Мощность лазера во всех экспериментах имела постоянное значение 1000 Вт.
Произведено легирование девяти одиночных дорожек согласно плану эксперимента (табл. 2).
Для исключения механического и термического воздействия на наплавленные образ-
цы разрезка производилась на электроэрозионном проволочном станке Electrónica Ecocut.
Результаты и обсуждение
На поперечном микрошлифе (рис. 1) после травления выделяются три зоны: зона лазерного легирования, зона термического влияния и основной материал. Также на микрошлифе присутствуют нерасплавленные включения карбида вольфрама. Микротвердость частиц карбида вольфрама достигает 30 000 МПа, именно эти частицы обеспечивают высокую износостойкость легированного слоя, поэтому в качестве одной из функций отклика приня-
Таблица 2
План проведения эксперимента с использованием ортогонального центрального композиционного планирования
Номер опыта Скорость движения лазерной головки v, мм/с Подача порошка S, об/мин
1 7,5 2
2 12,5 2
3 7,5 6
4 12,5 6
5 7,5 4
6 12,5 4
7 10 2
8 10 6
9 10 4
MTjij^yWB
i
■ЯКцр*rjf*
Ч-ляаш
''-"' лЗЗКиЗМ
Рис. 1. Микроструктура зоны лазерного легирования образца из стали 40Х
а)
22 20 18 £ 16 Р 14
и
В 12
и р
Й 10
ч и
М 8
б)
ч V
8 = 2 об/мин
ч 8 = 4 об/мин
-- 8 = 6 об/мин
ч
— —■ _ __
" -
7,5 8 8,5 9 9,5 10 10,5 11 11,5 Скорость движения лазера V, мм/с
12
V = 7,5 мм/с V = 10 мм/с
_ V = 12 мм/с
* .—
2 2,4 2,8 3,2 3,6 4 4,4 4,8 Подача порошка 8, об/мин
5,2 5,6 6
Рис. 2. Графики регрессионной зависимости %WC: а — от скорости движения лазера, мм/с, при значениях подачи порошка 2,4 и 6 об/мин; б — от подачи порошка, об/мин, при заданных значениях скорости движения лазера 7,5; 10 и 12,5 мм/с
6
4
2
то процентное содержание нерасплавленных частиц карбида вольфрама. Частицы порошка остаются нерасплавленными из-за высокой температуры плавления карбида вольфрама (= 2780 °С), в то время как температура в зоне легирования не превышает 2000 °С.
Обработка результатов включает:
• составление матрицы для нахождения уравнения регрессии;
• определение выборочной дисперсии;
• определение однородности дисперсии с помощью критерия Кохрена;
• определение коэффициентов полинома функции отклика;
• проверка значимости коэффициентов регрессии с помощью критерия Стьюдента [5];
• построение полинома;
• проверка адекватности уравнения регрессии при помощи критерия Фишера [6];
• построение графиков зависимости функции отклика от входных параметров.
Полином регрессионной зависимости процентного содержания нерастворенных частиц карбида вольфрама имеет вид
У = 27,9115 - 6,0205Х1 + 4,1341Х2 -0,3055Х1Х2 + 0,3140X2 + 0,2422Х22, (3)
где Х1 и Х2 — кодированные значения скорости движения лазерной головки и подачи порошка соответственно.
Графики зависимости процентного содержания нерасплавленных частиц карбида вольфрама в легированном слое представлены на рис. 2.
Показано, что максимальное содержание карбида вольфрама составляет 21 %, что соответствует минимальной скорости сканирования и максимальной подаче порошка (рис. 3, а). Однако этот режим не может использоваться при нанесении покрытия, так как возникает горячая трещина на всю глубину легированного слоя, образовавшаяся в процессе лазерного легирования.
Наиболее эффективными режимами, имеющими высокие показатели %WC и характеризующимися отсутствием дефектов, оказались режимы № 4 и № 8 (рис. 3, б, в).
Помимо исследований регрессионных зависимостей содержания карбида вольфрама в стали 40Х исследовалась зависимость глубины проплавления основы от технологических параметров процесса (рис. 4). Глубина проплавления является важным показателем, так как она определяет ресурс легированного слоя. Глубина проплавления при данных технологических параметрах лазерного легирования варьируется в пределах от 1,90 до 2,45 мм. Регрессионная зависимость имеет практически линейный характер и обратно пропорциональный характер и от скорости движения лазера, и от подачи порошка.
ЧЕТАППООЕ
а)
б)
в)
Рис. 3. Зона лазерного легирования стали 40Х: а — опыт № 3; б — опыт № 4; в — опыт № 8
а)
м
§ УУ(Х1,2)
в
а л
§ УУ(Х1,6) р
а н и
б
>
л
1-4
б)
2,45 2,395 2,34 2,285 2,23
Ц Уу(-Х1'4) 2,175 2,12
2,065 2,01 1,955
1,9
8 = 2 об/мин 4 об/мин 6 об/мин
8 = 8 =
■
-—--- 1 _ - 1
7,5 8 8,5 9 9,5 10 10,5 11 11,5 12 12,5 Х1
Скорость движения лазера V, мм/с
§ УУ(7,5,Х2)
я и
УУ(10,Х2)
вл а
н УУ(12,5,Х2) пр
а н и
б
>
л
1-н
2,45 2,395 2,34 2,285 2,23 2,175 2,12 2,065 2,01 1,955 1
V = 7,5 мм/с V = 10 мм/с
-- V = 12,5 мм/с
" * * " " " -
Ш ■я _
■— -_ —
2 2,4
2,8 3,2 3,6 4 4,4 4,8 5,2 5,6 6
Х2
Подача порошка 8, об/мин
Рис. 4. График регрессионной зависимости глубины проплавления: а — от скорости движения лазера, мм/с, при подаче порошка 2,4 и 6 об/мин; б — от подачи порошка, об/мин, при скорости движения лазера 7,5; 10 и 12,5 мм/с
Таблица 3
Результат измерения микротвердости зоны легирования образца из стали 40Х
Число микротвердости HV50
Номер опыта Среднее по глубине проплавления зоны легирования HV50 (max) HV50 (min)
1 700 817 598
2 838 1007 679
3 924 1101 752
4 835 976 687
5 718 917 515
6 650 771 557
7 938 1048 794
8 864 1110 667
9 818 951 675
частиц карбида вольфрама и наибольшей глубиной легированного слоя.
Максимальное значение микротвердости (ИУ50) достигает 1110 (=71 ИИС). Известно, что твердость исходного образца стали 40Х ИУ50 = 195 МПа. Значение микротвердости в зоне термического влияния также выше микротвердости основного металла (ИУ50 = 3 50). Максимально значение твердости стали 40Х, достигаемое при объемной закалке, составляет 55 ИИС, значительно более высокое значение твердости (до 71 ИИС) может быть объяснено сверхвысокими скоростями нагрева и охлаждения (до 10 000 °С/с), а также частичным растворением карбида вольфрама в основном материале.
Максимальная глубина проплавления основы достигается при минимальной подаче порошка 2 об/мин и минимальной скорости движения лазера 7,5 мм/с.
По результатам измерения микротвердости образца из стали 40Х общих зависимостей микротвердости по глубине проплав ле-ния и ширине зоны легирования не выявлено. Результат измерений приведен в табл. 3.
Выводы
В результате выполнения работы установлены зависимости между свойствами легированного слоя и параметрами процесса лазерного легирования. Выявлены режимы с максимальным содержанием нерасплавленных
Литература
1. Григорьянц А. Г., Шиганов И. Н., Мисюров А. И.
Технологические процессы лазерной обработки. М.: МГТУ, 2006. 664 с.
2. Мерзляков О. Н., Морозов Е. А. Исследование процесса получения покрытия из карбида вольфрама для стали 20Х13 // Masters Journ. = Журн. магистров. 2015. № 1. С. 73-80.
3. Морозов Е. А. Исследование свойств твердосплавного внутреннего покрытия, полученного лазерной наплавкой // Современные проблемы науки и образования [Электронный ресурс]. 2015. № 2 (58). 7 с. Режим доступа: http://www.science-education.ru/122-20536
4. Справочник металлиста: в 5 т. / Под ред. А. Г. Рах-штадта, В. А. Брострема. М.: Машиностроение, 1976. Т. 2 . 720 с.
5. Величины коэффициента Стьюдента // Сайт студентов-химиков. URL: http://www.students.chemport.ru/ thamma.shtml (дата обращения: 4.12.2017).
6. Таблица значений критерия Фишера [Электронный ресурс]. URL: http://chemstat.com.ru/node/19 (дата обращения: 4.12.2017).
