CC BY
60[13] Wiegeng J. Dampstrallapparaten in der vacuumtechnik, Jngenier (Untrecht). - 1955. - Bd 67. - № 2.
[14] Курников A.C., Бурмистров Е.Г., Щепоткин A.B. К вопросу о создании эжекторов, устойчиво работающих при высоких давлениях сжатия // Тр. ВГАВТ. - 1995. - Выи. 271. - С. 143-156.
ТО A QUESTION OF EJECTORS CREATION FOR WATER OZONIZATION STATIONS
V V. Vantsev, A. S. Kurnikov
The most adequate design procedure of ejectors is considered, the experiment on the increase of the overall performance of ejectors with the help of a turbulence of a working stream is resulted in the given article. The best swirler design which is a tangential inlet with an inclination angle to a perpendicular of an ejector axis a = 200, and its length is 10 swirler diameters, is chosen. The efficiency increase of experimental ejector with the swirler has made more than 100 % from initial.
УДК 621.3.038.8:621.785.5
Е. А. Голди нов, аспирант, ВГАВТ.
603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а.
ЛАЗЕРНОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ В СУДОВОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
Приведены общие сведения и способы лазерного легирования сталей, рассмотрена наплавка сталей и методика проведения эксперимента лазерного легирования. Исследована микроструктура и распределение микротвёрдости по глубине легированной зоны, а также износостойкость сталей 40Х и 45.
Общие сведения и применение технологии лазерного легирования
Разработка новых конструкций судовых машин и механизмов, а также большая необходимость создания основ ресурсосберегающих ремонтных технологий требует применения новых технологических процессов. К одному из таких наиболее перспективных процессов относится лазерная обработка материалов. Однако, несмотря на то, что в настоящее время накоплен большой объём экспериментального материала но лазерному термоупрочнению сталей и сплавов, все же явно недостаточно данных для разработки основ лазерного легирования деталей машин в процессе изготовления, а также лазерной наплавки, применяемой при их ремонте.
Основными достоинствами этого метода являются:
1. Локальность процесса нагрева, которая позволяет осуществлять наплавку как малых, так и больших поверхностей, предотвращает перегрев изделия, поводки и коробление;
2. Высокая прочность сцепления покрытия и самого материала, благодаря одновременному расплавлению покрытия и материала, с образованием прочной металлургической связи;
3. Возможность вводить в состав поверхностного слоя такие компоненты, которые в совокупности нельзя имплантировать ни одним из других методов (например, оксиды, нитриды, интерметаллиды и т. п.);
4. Лёгкость автоматизации процесса.
Получение высококачественных свойств поверхности деталей при их изготовлении и восстановлении требует развития нового направления - получения поверхностных покрытий с применением лазерного излучения. Рассмотрим один из видов формирования поверхностного покрытия, обладающего высокой износостойкостью - лазерное легирование.
Лазерная наплавка во многом подобна лазерному легированию, однако она служит для получения сплавленного или приваренного на материал подложки слоя другого металла или сплава. Характеристики наплавленных слоёв, как правило, различны от свойства подложки, даже легированной. При наплавке процесс ведут с минимальным подплавлением основы, а состав и свойства металла поверхности практически полностью определяются свойствами присадочного материала.
Лазерное легирование применяют для повышения физико-механических свойств поверхностного слоя материала. Принципиальным отличием легирования от термоупрочнения (закалки) является изменение химического состава поверхностного слоя материала.
При лазерном легировании изменяется химический состав упрочнённого слоя. Поэтому вместо того, чтобы изготавливать детали из дорогих легированных сплавов, они могут изготавливаться из технологичного недорогого материала, а дорогие и дефицитные компоненты при лазерном легировании расходуются только в поверхностном слое на локальном участке изделия.
Благодаря созданию мощных газовых лазеров непрерывного действия, промышленность получила новый инструмент для обработки металлов, обладающий уникальными свойствами: способностью к высокой концентрации тепловой энергии, возможностью обрабатывать детали от одного лазера на нескольких различно удалённых рабочих местах, отсутствием механического и электрического контактов с обрабатываемой деталью, при этом у обработанных деталей отсутствует деформация. При использовании лазерного излучения в производстве создаются новые технологические процессы, а существующие приобретают большие возможности. Следует отметить, что эффективность применения лазерной технологии возрастает с ростом мощности лазерного излучения.
Лазерное легирование находит все большее применение в машиностроении как способ повышения износостойкости, теплостойкости, коррозионной стойкости, жаропрочности и других технологических характеристик. Этот способ обработки поверхности позволяет сэкономить до 90 % легирующего материала, так как с помощью лазерного легирования создаются лишь тонкие слои легированных сталей на поверхности углеродистых или низколегированных.
Процесс лазерного легирования - достаточно новый метод упрочнения и восстановления деталей, поэтому его нужно рассматривать в два этапа: вначале необходимо изучить теплофизику явлений гидродинамического течения и распределения легирующих элементов по глубине легированного слоя, а затем, имея дашгые об элементном химическом составе можно, прогнозировать структуру и свойства приповерхностного слоя.
Способы лазерного легирования
Известно, что в качестве легирующих добавок используют три основных группы веществ; неметаллы, металлы и сплавы, химические соединения (карбиды, бор иды и т. д.).
Лазерное легирование неметаллическими компонентами (С, N. В, 81) является альтернативой традиционным методам цементации, азотирования, борирования, си-лицирования, и в литературе опубликованы данные об успешном применении лазерного легирования поверхности стали углеродом, кремнием, азотом, а чаще бором. Гораздо меньше данных об успешном легировании поверхности материала металлами, в том числе карбидообразующими хромом, молибденом, вольфрамом.
При лазерном легировании перед обработкой на поверхность изделия наносят легирующие элементы различными способами: накаткой фольги из легирующего материала; электролитическим или химическим осаждением, вакуумным напылением, электроискровым легированием, нанесением порошков или обмазок, насыщением из жидкости или газовой среды.
Лазерное легирование углеродом, азотом, кремнием и бором (т. е. неметаллическими компонентами), заключается в нанесении на поверхность обмазок или паст и последующем оплавлении поверхности импульсным или непрерывным лазерным излучением. Реже выполняют лазерное легирование в газовой или жидкой фазе. Средняя глубина образующихся легированных слоев составляет 0,3-0,4 мм при импульсной обработке и 0,3-1,0 мм при обработке непрерывным излучением.
Легирование из газовой фазы осуществляется при нормальном и повышенном давлении. Возможно введение порошкового легирующего компонента в зону лазерного облучения потоком воздуха. Насыщение из обмазок обеспечивает более экономичный расход легирующих элементов и возможность получения в зоне упрочнения большой концентрации насыщающего элемента, которая регулируется в основном толщиной обмазки. Лазерное легирование через шликерный слой порошкового легирующего элемента заметно повышает поглощающую способность поверхности.
Лазерную цементацию осуществляют на основе растворов графита или сажи в ацетоне, спирте и других растворителях. Используют также растворы в различных лаках. Для насыщения углеродом из газовой фазы над обрабатываемой поверхностью необходимо создавать высокое давление (10 МПа) для усиления диссоциации угле-родсодержащих газов.
При введении небольшого количества углерода в сталь микротвердость достигает достаточно высоких значений (9000 МПа). При введении большого количества углерода в зону оплавления микротвердость колеблется в широких пределах (4500-9000 МПа).
Лазерную цементацию целесообразно использовать для повышения твердости углеродистых сталей.
Лазерное азотирование выполняют с использованием паст на основе аммиачной соли, карбамида и др. Для азотирования сталей из газовой фазы над обрабатываемой поверхностью необходимо создать давление азота порядка 9 МПа, что затрудняет практическое применение этого процесса.
Легко осуществляется газовое азотирование титана, циркония, гафния и сплавов на их основе. Для этого достаточно провести лазерное оплавление в струе азота. Лазерное азотирование применяется для повышения теплостойкости, увеличения твердости и износостойкости.
Лазерное силицирование осуществляется из твердой фазы с нанесением обмазок, содержащих порошок кремния, или из жидкой фазы типа суспензии силикагеля. Кроме повышения износостойкости, лазерное силицирование приводит к увеличению теплостойкости и коррозионной стойкости сталей.
Лазерное легирование металлическими компонентами осуществляется оплавлением с помощью импульсного или непрерывного излучения. Более производителен процесс лазерного легирования с подачей присадочного материала, в основном порошка, в зону обработки. Этот процесс ведут с использованием непрерывного излучения, обеспечивающего синхронизацию подачи присадки и воздействия излучения.
В результате лазерного легирования в структуре зоны обработки образуются перенасыщенные твердые растворы, что приводит к повышению микротьердости. Лазерное легирование чугуна и стали хромом приводит к увеличению коррозионной стойкости при одновременном повышении ударной вязкости и износостойкости. Легирование хромом и углеродом низкоуглеродистой никель-молибденовой стали ПО-
зволяет получать слой глубиной 1,25 мм и твердостью 55 НЛС. Одновременно с увеличением износостойкости происходит и значительное повышение теплостойкости.
Формирование упрочнённой зоны в результате лазерного легирования происходит посредством диффузии и массопереноса легирующих элементов в твёрдой фазе из жидкой фазы и из плазмы. Процесс состоит в одновременном расплавлении расположенных на поверхности материала легирующих элементов и самого материала с перемешиванием их за счёт гидродинамических и диффузионных процессов.
При лазерной обработке формируется неравновесная микроструктура, обладающая высокой степенью гетерогенности химического состава.
Лазерное легирование сложными композициями имеет большую перспективу. Их использование приводит к повышению износостойкости в 2-5 раз.
Выбор определённых составов как легирующих компонентов определяется диаграммами состояния, наличием интерметаллических и других фаз железа, а также специфическими теплофизическими свойствами.
Лазерное легирование позволяет получить на поверхности изделия покрытие с уникальным химическим составом, не имеющим аналогов сплавам, полученным традиционным путём. Это покрытие значительно отличается по своим прочностным и эксплуатационным характеристикам от свойств основного материала, в частности твёрдостью, износостойкостью, теплостойкостью, коррозионной и адгезионной стойкостью.
Покрытие представляет собой закалённую зону, обладающую высокодисперсным кристаллическим строением и пониженной травимостью. Глубина этой зоны зависит от плотности мощности теплового источника, длительности его воздействия, тепло-физических характеристик материала и составляет 0,1-0,2 мм.
Основным критерием выбора параметров лазерного легирования является обеспечение условий интенсивного перемешивания легирующего вещества с металлической основой.
Влияния толщины слоя шлнкерной обмазки и материала основы на глубину зоны лазерного легирования сталей 45 и 07Х16Н4Б
Одной из разновидностей методов поверхностного упрочнения сталей лазерным излучением является легирование различными элементами с целью повышения износостойкости, коррозионной стойкости и твердости. Формирование упрочненной зоны в результате лазерного легирования происходит путем диффузии и массопереноса легирующих элементов в твердой фазе из жидкой фазы и из плазмы.
В настоящее время лазерное легирование из шликерной обмазки является эффективным способом повышения физико-механических и эксплуатационных характеристик материалов. Целью настоящего исследования являлось изучение взаимодействия лазерного излучения с материалом шликерного покрытия и построение зависимостей, необходимых для выбора оптимальных режимов лазерного легирования.
В качестве материала для шпикерных обмазок использовались применяемые при наплавке и легировании порошки ГГР-Х23Н23М5СЭР2АФ и ПР-Н73Х16СЗРЗ, имеющие разные теплофизические характеристики. В качестве материала подложки выбраны материалы; значительно отличающиеся по своим теплофизическим характеристикам и также применяемые в судостроении - стали 45 и 07X16Н4Б. Легирующий материал наносили на основу в виде шликерной обмазки следующего состава: цапон-лак 50-60 % (вес) и 50-40 % (вес) порошкового материала. Обмазка тщательно перемешивалась.
Основными параметрами определения оптимальных режимов лазерного легирования являются мощность лазерного излучения (Р), скорость лазерной обработки (V) и диамегр лазерного луча (Дл). При заданной мощности лазерного излучения (Р) можно определить другие параметры режимов лазерного легирования: скорость ла-
зерной обработки и диаметр лазерного луча, необходимых для проплавления покрытия толщиной (Ь), при помощи аналитических выражений (1) и (2):
где т]ЭФ - эффективный КПД процесса плавления шликерного покрытия;
т)г-термический КПД процесса плавления шликерного покрытия;
Р - мощность лазерного излучения;
Дл - диаметр лазерного луча;
И - толщина шликерного покрытия;
Е/77 - энтальпия жидкого металла при температуре плавления;
а - коэффициент температуропроводности;
£; - энтальпия жидкого металла при температуре кипения;
Л - коэффициент теплопроводности;
у - степень перегрева;
Тпм ~ температура плавления.
Значения а, Л, Еь £.л,/, Тпл, т)эф порошковых материалов можно определить в
справочной литературе. На основании результатов расчета можно определить параметры лазерной обработки. Для лазерных установок типа «Латус-31» мощностью до 1.5 кВт максимальная толщина проплавляемых шликерных покрытий при скоростях обработки V < 600 мм/мин составляет не более 0,5 мм.
Значения (Р, V, Дл) по своему смыслу являются ограничивающими значениями, при которых начинается процесс лазерного легирования и заканчивается шликерная наплавка. Очевидно, что для осуществления этого процесса необходимо увеличение Р или уменьшение V и Дл по сравнению со значениями, полученными в результате расчета.
При этом основным требованием к процессу легирования (соответственно, к параметрам обработки) является обеспечение равномерного перемешивания легирующего вещества с металлом основы и отсутствием испарения легирующих элементов с обрабатываемой поверхности. При этом большое влияние на глубину легированного слоя будут оказывать теплофизические характеристики материала основы и толщина слоя шликерной обмазки.
На рисунках 1, 2 представлены экспериментальные данные по влиянию толщины слоя шликерной обмазки и материала подложки на глубину легированного слоя.
Как видно из представленных данных, теплофизические характеристики материала подложки оказывают существенное влияние на глубину легированной зоны - с уменьшением теплопроводности глубина легированного слоя возрастает. Аналогичным образом влияет теплопроводность самого порошка. Дтя различной толщины шликерного покрытия построены зависимости глубины легированной зоны от скорости обработки и мощности излучения, рисунки 1 и 2.
При малых количествах обмазки зона лазерного воздействия при легировании увеличивается, вследствие повышенной поглощающей способности поверхности металла, а при достаточно большом количестве обмазки размеры зон плавления и термического влияния уменьшаются в результате возросшего поглощения энергии самой обмазкой. Оптимальная толщина обмазки составляет Ь ~ 0,1-Ю,2 мм.
У _ 4-Пэф-Пт-Р
71' Дл ' и ■ е"л
(1)
ГГ _16-аДэФ-Р ЕгИ
Мл ~
(2)
\ «. \
\ , \
л
Ч ' -в
Н, мм
®— о—о —о подложке из стали 07X15Н4Б •—• • подложка иэ стели 45
Рис.1. Влияние ТОЛЩИНЫ слоя (Н) шликерной обмазки из сплава ПР-Н73Х16СЗРЗ на глубину легированного слоя в подложке (Ъ). Мощность Р=3 кВт
в— о—о—о поров ок ПРХ23Н2ЭМ5СЗР2АФ ■« порошок ПРН73Х16СЗРЗ
Рис. 2. Влияние толщины слоя (Н) шликерной обмазки из сплава ПР-Н73Х16СЗРЗ и ПР-Х2ЭН23М5СЗР2АФ на глубину легированного слоя (Ъ) в подложке стали 45. Мощность Р = 3 кВт
Также определялось распределение легирующих элементов и микротвердости по глубине легированной зоны рисунки 3 и 4.
(1, мм
Рис. 3. Распределение хрома в легированной зоне Рис. 4. Распределение микротверцости в ЗЛВ
стали 45 (Ншликера = 0,2 мм) стали 45, легированной порошком
ПР-Х23Н23М5СЭР2АФ
Как видно из представленных на рисунках 3 и 4 зависимостей, лазерное легирование стали 45 позволяет получить равномерное распределение легирующих элементов и микротвердости в ЗЛВ. Это объясняется эффективным перемешиванием легирующих элементов в легированной зоне и формированием однородной микроструктуры по глубине -легированной зоны.
На рисунке 5 представлена микроструктура стали 45 после легирования порошком ПР-Х23Н23М5СЭР2АФ.
Как видно из представленных фотографий, характер микроструктуры оплавленных с разными скоростями ЗЛВ отличается: с увеличением скорости с 0,17 м/мин до 0,4 м/мин происходит изменение характера кристаллизации с дендритной на дендритно-ячеистую. Трещин в ЗЛВ не обнаружено.
а) Уобр = 0,4 м/мин: б) Уо6р= 0,17 м/мин.
Рис. 5. Микроструктура легированного порошками ПР-Х23Н23М5СЭР2АФ слоя стали 45.
Мощность Р = 1 кВт, (хбОО)
Проводились испытания на износостойкость и коррозионную стойкость образцов с легированным слоем. Легирование сталей 45 и 07X16Н4Б позволяет повысить их коррозионную стойкость и в 1,5-2,5 раза износостойкость. Как показали проведенные испытания, износостойкость и качество легированного слоя различных сталей определяются, в основном, мощностью лазерного излучения, скоростью лазерной обработки, диаметром лазерного луча, толщиной шликерного слоя и свойствами легирующего материала.
Таким образом, на основании изучения механизма взаимодействия лазерного излучения со шликерными покрытиями и формирования структуры в ЗЛВ можно получить зависимости, позволяющие определить скорость лазерной обработки, мощность лазерного излучения и диаметр лазерного луча, которые обеспечивают полное проплавление слоя обмазки и высокое качество легированного слоя.
Лазерное легирование стали 40Х
На рисунке 6 представлены зависимости глубины и микротвёрдости легированной зоны стали 40Х от плотности мощности лазерного излучения.
Увеличение размера легированной зоны при повышении плотности мощности лазерного излучения приводит к уменьшению микротвёрдости. Максимальная микротвердость для стали 40Х достигается при легировании сплавом ПС-12НВК-01 и составляет 900 кгс/мм2. Применение флюса способствует повышению смачиваемости жидким металлом основы, а также ведет к увеличению микротвердости легированного слоя Флюс состоит из 60 % глицерина, около 20 % К2С03, 20 % буры. Толщина покрытия флюсом 0,1 мм.
Оплавление шликерного покрытия из порошка ПС-12НВК-01 проводили лазерным излучением с плотностью мощности 0,9-1,5-105 Вт/см2, что позволило получить легированный слой толщиной 0,2-0,5 мм с микротвердостью 820-700 кгс/мм2.
В легированном слое присутствует небольшое количество пор. Необходимо отметить, что поры могут оказать благоприятное воздействие на сопротивление истиранию со смазкой. Применение флюса при легировании стали 40Х порошком ПС-12НВК-01 нецелесообразно, поскольку в легированной зоне появляются трещины.
Окончательный выбор режимов лазерного легирования стали 40Х может быть сделан на основе данных по износостойкости. На рисунках 7 и 8 приведены зависимости распределения микротвёрдости по глубине зоны лазерного воздействия.
При легировании сплавом ПР-Х23Н25М5С2Р2АФ в отсутствие флюса обеспечивается достижение НУ = 500 кгс/мм2 при глубине Ь = 480 мкм, а легирование, выполнен-
ное под слоем флюса, вызывает повышение микротвердости до НУ = 620 кгс/мм при снижении глубины до Ь = 300 мкм. Легирование ПС-12НВК-01 обусловливает подъем микротвердости до НУ = 600 кгс/мм2 в отсутствие флюса и НУ = 700 кгс/мм2 при наличии флюса. Соответственно, Ь значения глубины слоя составят 380 и 280 мкм.
Микроструктура поверхностного слоя стали 40Х после лазерного легирования порошком ПР-Х23Н25М5С2Р2АФ состоит из двух типов структур. Преимущественной является дендритная структура с эвтектическими междендритными прослойками различной степени дисперсности, имеющими наиболее высокую микротвердость, (рисунок 9).
а)
б)
4*10*5 Вт/стА2 о—в—в—в ПР-Х2ЭН23М5С2Р2АФ без фгаоса ♦—♦- ♦—» ПС-12НВК-01, с флюсом • ПР-Х2ЭН23М5С2Р2АФ с флюсом
О- С—0—0 ПС-12Н8К*01, без флюса
0*10*5 ВгЛт-г » ПР-Х23Н23М5С2Р2АФ без флюса ♦——♦ ПС-12№К-01, с флосом • ПР-Х23Н23М5С2Р2АФ с флюсом
О - О—О —о ПС-12НВК-01, без флюса
Рис. 6. Зависимость глубины легированной зоны: а) и мнкротвёрдости; 6) спали 40Х от плотности мощности шзерного излучения и нанесения флюса
на шликерную обмазку
О 0.14 0 28 0 42 0.5Є 0.7 0 84 0.98
Ь, мм
ООО О ПР-Х23Н23М5С2Р2АФ, я ликер, с флюсом
---------Линия оплавления
ПР-Х23Н23М5С2Р2АФ, шликер, без флюса
Рис. 7. Распределение микротвердости по глубине легированного слоя стали 40Х
Сравнение данных по износостойкости стали 40Х показывает, что в термообработанном состоянии сталь характеризуется значительной величиной износа в процессе приработки, а на поверхности образцов отмечается наличие задиров. При испытании образцов, подвергнутых ЛТО, на их поверхности наблюдали задиры и следы выкрашивания частиц металла, обусловленные его пониженными пластическими характеристиками.
Легирование стали сплавами ПР-Х23Н25М5С2Р2АФ и ПС-12НВК-01 позволяет значительно увеличить сопротивление износу. Наиболее высокую износостойкость (0,001 мм) сталь 40Х приобретает после легирования сплавом ПС-12НВК-01.
Таким образом, определенные на основе данных по микротвердости режимы лазерного легирования стали 40Х позволяют существенно повысить ее износостойкость.
Второй тип структуры - слоистая, с чередованием у-твердого раствора, в котором выделяются карбиды стерженьковой формы, высокодисперсные бориды и эвтектические колонии. Металл легированного слоя имеет хорошее сплавление с основой. Трещин и грубых выделений на границе с основой не наблюдается (рисунок 10). В легированном слое трещин также не обнаружено, отмечено лишь наличие мелких пор. Применение флюса приводит к увеличеншо пористости в легированном слое.
О- -О О О ПС-12НВК-01, шликер, с флюсом
---------А*ьия оплавления
• ПС-12НВК-01, о ликер, без флюса
Рис. Я Распределение микротвёрдости по глубине легированного слоя стали 40Х
&
Рис. 9. Дисперсная структура легированного слоя с разветвлёнными дендритами вблизи границы оплавления.
Шликер ПР-Х23Н23М5С2Р2АФ. без флюса. Основа сталь 40Х. х500
Рис. 10. Ячеистые дсндриты с прослойками эвтектики в легированном слое.
Шликер ПР-Х23Н23М5С2Р2АФ, без флюса, основа сталь 40Х. ,\500
После лазерного легирования порошком ПС-12НВК-01 преобладает ячеистая дендритная структура с междендритными эвтектическими прослойками (рисунок 11). Дисперсная эвтектическая структура с выделениями карбидов и карбоборидов имеет повышенную микротвердость 766-927 кг/мм2, (рисунок 12). В металле легированного слоя встречаются поры. При использовании флюса в легированном слое появляются поры и трешины, т.к. при этом происходит увеличение упругих напряжений.
Рис. 11. Тонкие разветвленные дендриты твердого раствора с эвтектическими междендритными прослойками. Отмечаются поры. Шликер ПС-12НВК-01, основа сталь 40Х, обработка без флюса. х500
Рис. 12. Выделения дисперсных карбидов и карбоборидов вблизи границы сплавления с основой Шликер, ПС-12НВК-01, основа сталь 40Х, .поверх шликера наносили флюс. х500
На рисунке 13 приведены графики глубины канавки износа поверхности стали 40Х, в состоянии после термообработки по стандартному режиму, после лазерного оплавления и после легирования шликером ПР-Х23Н23М5С2Р2АФ и ПС-12НВК-01 в зависимости от времени испытания.
I, час
X -X )< -X без лазерной обработки о—-о—& с лазерной обработкой • шликер ПР-Х2ЭН2ЭМ5С2Р2АФ
0-0—О—О ПС-12НВК-01, шликер
Рис. 13. Глубина канавки износа в зависимости от времени испытания для стали 40Х
Лазерное легирование стали 45
На рисунке 14 представлена зависимость глубины и микротвёрдости легированной зоны стали 45 от плотности мощности лазерного излучения
4*10^5 Эт*итг*2
»»СО П»-*2Ж2Ж5СУ2АФс4мютам #—•> ♦ rK-12WK.il , с фЛХ»
♦ ПР*Х23Н2ЭМ5С2Р2АФ Безфлоса
«-0—ПС-12НВХ-01. без «леев
000 ^ -
№0 - _
0* СВ 12 16 2
ч'Ю'й вг*аг*2
о-о о о пр^хдзнгзм5С2РгАФ с фдосаи ♦ ЛС-12Г6К-01, с флюсом • ПР-Х2ЭНаЭМ5С2Р2ЛЛбмфлв1Я '•■■<
«-«—«-о ГКМ5Я-в«-01 (Везфлоса
Рис 14. Зависимость глубины легированной зоны: а), и микротвердости; б) стали 45 огг плотности мощности лазерного излучении и наличия флюса
на шликерной обмазке.
Как видно из представленных зависимостей, с увеличением плотности мощности лазерного излучения глубина легированной зоны линейно возрастает, а микротвердость уменьшается. Максимальная микротвердость достигается при легировании стали 45 порошком ПС-12НВК-01. Применение флюса при легировании стали 45 обоими порошками позволяет добиться увеличения микротвердости, по-видимому, за счет получения более дисперсной структуры легированной зоны. Плотность мощности лазерного излучения 1,1-1,7*105 Вт/см2 обеспечивает достаточную глубину легированной зоны и высокую микротвердость.
На рисунках 15 и 16 представлена зависимость микротвёрдости от глубины зоны лазерного воздействия. Как видно из представленных зависимостей, лазерное легирование стали 45 с плотностью мощности 1,2*105 Вт/см2 позволяет получить легированный слой с однородным распределением микротвердости, что свидетельствует об интенсивном перемешивании металла в жидкой ванне и равномерном распределении лйгирующих элементов. Размер переходной зоны от легированного слоя к основному металлу составляет 250 мкм. Микротвердость металла в этой зоне выше микротвердости основного металла, что, по-видимому, объясняется диффузией легирующих элементов в твердой фазе и эффектом лазерной закалки.
Микроструктура слоя, легированного порошком ПР-Х23Н25М5С2Р2АФ имеет неоднородное слоистое строение. Вблизи границы сплавления наблюдается слой разветвлен-
пых дендритов толщиной 30-40 мкм. Между дендритами располагаются междендритные эвтектические прослойки с частицами карбидов и карбоборидов (рисунки 17,18,19).
1—О ПР-К23Н23М5С2Р2АФ. иплер, под фгюсом
--Л»#*1*0ПЛввПв*1*
- -• ПР-Х23Н23М5С2Р2А®, ВЛ/иіер, Оез фгооса
—О ■■■о - о ПС-12Н0К-О1. «литер, с фпюсом ---------ПИНИЯ ОПЛвЄЛЄ»*1й
ПС-12ИВК-01, вликер, без флюсе
Рис. 15. Распределение микротвйрдктн по глубине легированного слоя етапи 45
Рис. 16. Распределение микротвердрсти по глубине легированного слоя стали 45
При легировании поверхности стали 45 порошком ПР-Х23Н25М5С2Р2АФ с добавкой флюса в металле появляются поры и трещины. Структура легированного слоя качественно не меняется, при использовании флюса увеличивается лишь объемная доля дисперсной эвтектики.
Микроструктура легированного порошком ПС-12НВК-01 слоя представляет собой высокодисперсную ячеистую дендритную структуру. При применении флюса в легированном слое появляются трещины и поры.
Рис. 17. Структура области наложения и границы «слой-основа» (разветвленные денариты + эвтектика с выделениями карбидов).
Шликер. ПР-Х23Н23М5С2Р2АФ. без флюса, основа сталь 45. х500
Рис. 18. Тонкие разветвленные дендриты с дисперсными выделениями карбидов. Шликер ПС-12НВК-01, обработка без флюса, основа сталь 45. х500
По результатам исследования микроструктуры можно сделать вывод о нецелесообразности применения флюса при легировании стали 45 порошками ПС-12НБК-01 и ПР-Х23Н25М5С2Р2АФ из-за появления трещин в структуре легированной зоны. Появление трещин обусловлено, по-видимому, значительными упругими напряжениями.
На рисунке 20 представлена зависимость глубины канавки износа в стали 45 при различных способах легирования.
0.022 0 02 0018 D СПБ 0.014 0 012 0.01 0.008 0.006 0004 0 002 0
г"
/
} !
/
/
/
и t
1
1 'S н м 1-4 м !
0 1
2 3 4
!, час
5 Б 7 0
•X без лазерной обработки с лазерной обработкой ♦ шликер ПР-Х23Н23М5С2Р2АФ
0—0-0—О ПС-12НВК-01, шликер
Рис. 19. Поры в легированном слое. Шликер ПС-12НВК-01, с флюсом, основа сталь 45. х500
Рис. 20. Глубина канавки износа в зависимости от времени испытания для стали 45
Как видно из представленных зависимостей, легирование стали 45 порошком ПС-12НВК-01 позволяет добиться высокого сопротивления износу, по сравнению с объемной и лазерной закалкой. Легирование порошком ПР-Х23Н25М5С2Р2АФ приводит к несколько худшему эффекту по сравнению с порошком ПС-12НВК-01, но учитывая меньшую склонность этого сплава к образованию трещин в процессе лазерного воздействия, шликерное легирование стали 45 целесообразно производить порошком ПР-Х23Н25М5С2Р2АФ.
Список литературы
[1] Технологические лазеры / Под ред. Абильсинтова Г.А. Справочник в 2-х томах. - Т. 1,- М.: Машиностроение, 1991.-432 с.
[2] Григорьянц А.Г. Основы лазерной обработки материалов - М.: Машиностроение, 1991. - 304 с.
[3] Григорьянц А.Г., Сафонов А.И. Методы поверхностной лазерной обработки. - М.: Высшая школа, 1987. - 191 с.
[4] Веденов A.A.. Гладуш Г.Г.. Физические процессы при лазерной обработке материалов. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 206 с.
[5] Коваленко B.C., Волгин В.И. Лазерное легирование конструкционных материалов // Технология и организация производства. - 1976. - № 3. - С. 24-27.
[6] Ляхович Л.С. и др. Лазерное легирование // МиТОМ. -№ 3. - 1987.-С. 14-19.
[7] Поверхностное упрочнение стали излучением лазера / Лахтин Ю.М., Коган ЯД. и др. / Поверхностные методы упрочнения металлов и сплавов в машиностроении. - М.: 1983. - С. 65-67.
[8] Легирование и упрочнение поверхностей деталей лазерной обработкой / Сорокин В.М., Ел-хов В.В., Исакичев П.А. и др. / Экономия металла и энергии на основе прогрессивных процессов термической и химико-термической обработки // Тез. Доклад Всесоюзной научно-технической конференции. - М.: 1984. - С. 156.
[9] Разработка технолог ии лазерного легирования и наплавки при ремонте и восстановлении деталей судовых ДВС / Отчет по договору 954761/84. - ВГАВТ. - 1995. - 188 с.
[10] Воловик E.J1. Справочник по восстановлению деталей. - М.: Колос, 1981.-351 с.
Григорьянц А.Г. Основы лазерной обработки материалов. - М.: Машиностроение, 1989. - 304 с.
[11] Миркин Л.И. Физические основы обработки материалов лучами лазера. - М.: Изд-во МГУ, 1975.-265 с.
[12] Горленко O.A. Износостойкость поверхностей, упрочненных лазерной обработкой // Трение и износ. - 1981. -№ 1. - С. 15-17.
LASER ALLOYING IN SHIP ENGINEERING
E. A. Goldinov
The general data and ways of laser steel alloying are resulted, steel surfacing and a technique of carrying out of the experimental laser alloying is considered. The microstructure and distribution of micro hardness on the depth of an alloyed zone, and also the wear resistance of steels 40X and 45 is investigated.
УДК 621.43.74:621.793
С. Ю. Ефремов, к. т. н., доцент, ВГАВТ.
603950, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а. E-mail: [email protected]
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОРШНЕВЫХ КОМПРЕССИОННЫХ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ С ИЗНОСОСТОЙКИМ МЕТАЛЛИЗАЦИОННЫМ ПОКРЫТИЕМ
В статье показано, что в большинстве случаев причиной выбраковки поршневых компрессионных колец и цилиндровых втулок является достижение предельного износа рабочих трущихся поверхностей и делается вывод о целесообразности нанесения на рабочую поверхность поршневых колец покрытия, представляющего собой смешанный сталь-бронзовый псевдосплав. Приводятся результаты триботехнических испытаний ряда псевдосплавов, на основе которых произведен выбор оптимального покрытия поршневых колец. Доказана целесообразность химико-термической обработки металлизационных покрытий и представлен технологический процесс изготовления поршневых компрессионных колец с износостойким покрытием
В системе водного транспорта перед судоремонтными предприятиями стоят задачи повышения качества, сокращения сроков ремонта судового оборудования, изготовления сменно-запасных частей в необходимом количестве, снижение затрат на сырье, энергию и материалы.
Существующая тенденция переоборудования судов речного флота для работы в условиях прибрежного морского плавания требует высокой надежности их эксплуатации в течение длительного периода времени, что в значительной степени определяется техническим состоянием главных и вспомогательных дизелей.
В свою очередь, опыт эксплуатации судовых дизелей показывает, что сроки проведения текущих и средних ремонтов, экономичная и надежная работа двигателей определяются техническим состоянием деталей цилиндро-поршневой группы (ЦПГ). Эти детали, особенно поршневые компрессионные кольца (ПКК) и втулки цилиндров, работают в экстремальных условиях граничного и сухого трения, высоких температур, значительной механической и тепловой напряженности, при воздействии агрессивной среды.
