CC BY
14
УДК 669.017.3:669.056.9
Д-р техн. наук З. А. Дуряпна, Г. В. Лазько, А. К. Борисюк Нацюнальний ушверситет «Льв1вська пол1техн1ка», м. Льв1в
МАГН1ТОМЕТРИЧНА ОЦ1НКА ПОВЕРХНЕВИХ ЯВИЩ П1СЛЯ
ЛАЗЕРНОГО ЛЕГУВАННЯ
Проведено магнтометричт дослгдження фазових перетвореньу поверхневих шарах корозшнотривкоХ стал! ЭП 823 тсля лазерного легування 1з обмазок на основIргдкого скла з наповнювачами складу (50 % Б1С + 50 % А1) та (20 % Ев + 40 % М + 30 % В + 10 % Б1). Визначено температурнг Iнтервали перетворення залишкового аустенгту та температур мартенситного та магнгтного перетворень.
Вступ
Актуальним завданням сучасного металознавства е дослщження шнетики фазових перетворень на про-цеси структуроутворення тд час лазерного легування конструкцшних матерiалiв для встановлення мехашз-му формування на !х поверхш шарiв з наперед задани-ми властивостями, необхiдними для певних умов екс-плуатацп. Одним iз найбiльш ефективних методiв ана-лiзу фазових перетворень е магнiтний фазовий аналiз. За допомогою даного методу можна визначити основнi технологiчнi параметри термiчноl обробки, провести корегування !х режимiв з метою оптимiзацil.
Мета роботи полягае в ощнщ шлькосп залишкового аустенiту, визначеннi температурних iнтервалiв перетворення залишкового аустенiту, температур мартенситного та магштного перетворень у поверхневих шарах корозшнотривко! сталi ЭП 823 пiсля лазерного легування складними сумiшами.
1 Матерiали та методика дослвджень
Об'ектом дослiдження обрано поверхневi шари, сформованi на корозшнотривюй стал1 ферто-мартенсит-ного класу ЭП 823 (хiмiчний склад наведено у табл. 1.) тсля лазерного легування дисперсними порошками сушшей: 50 %Б1С + 50 %А1 (обмазка 1) та 20 + 40 %№ + 30 %В + 10 %Б1 (обмазка 2) на основi рiдко-го скла. Поверхневе лазерне легування в режимi оп-лавлення здiйснювали СО2-лазером неперервно! ди фiрми «ТЯиМБ» потужнiстю 6,5 кВт за методикою, описаною у попередшх роботах [1-3].
Кiнетику фазових перетворень у сформованих тд час лазерного легування поверхневих шарах сталi ЭП 823 дослщжували на вiбрацiйному магнiтометрi з напруженiстю магнiтного поля 800 кА/м [4]. Питому намагнiченiсть насичення поверхневих шарiв дослiд-
жуваних зразшв (масою близько 30 мг) реестрували в iнтервалi температур 20-800 °С пiд час нагрiвання зi швидкостями вiд 10 град/хв до 30 град/хв та охолод-ження зi швидкостями вiд 10 град/хв до 400 град/хв.
Металографiчний анал1з торцевих шлiфiв зразк1в дос-лгджувано! стал1 проводили на мiкроскопi «Мео£э1-21» з приставкою для вимiрювання мiкротвердостi. 1денти-фiкацiя фазового складу поверхневих шарiв здiйсню-валась за результатами кшьюсного мiкрорентгеноспек-трального аналiзу, що проводили на рентгешвському мiкроаналiзаторi 8иРБКРКОВБ 733 (ШОЬ, Японiя).
2 Теорiя та аналiз отриманих результатiв
Проведенi магштометричш дослiдження дозволя-ють спостерiгати за характером фазових перетворень у поверхневих шарах дослщжувано! сталi пiсля лазерного легування iз обмазок рiзного складу для подаль-шого визначення оптимальних параметрiв обробки.
Зокрема, тд час нагрiвання зразк1в дослiджуваноl сталi пiсля лазерного легування з обмазки 1 в штер-валi температур 20-500 °С (рис. 1, а) спостертаеться зменшення питомо! намагнiченостi насичення, що спричинено руйнуванням пiд впливом температури доменно! структури у феромагштних фазах (мартен-ситi вiдпуску та карбвдах) i утворенням легованих карбщв зал1за (Ре,Сг)3С та карбiдiв хрому Сг7С3, Сг23С6, що призводить до зменшення намагшченосп вихiд-но! мартенситно! фази.
При подальшому нагрiваннi вище 500 °С спостер-iгаеться сповшьнення зниження та пiдвищення намаг-шченосп з температурою, обумовлене розпадом залишкового аустешту, який е парамагштною фазою. В результатi його розпаду утворюються феромагнiтнi фази - мартенсит вщпуску та карбiдiв.
Таблиця 1 - Хiмiчний склад дослiджуваноl сталi (мас. %)
Марка стал1 С Мп Сг N1 8 Р Т1 1иш1 елементи
ЭП 823 0,17 2,04 0,74 13,50 0,28 - - - 1,6Мо; 0,2У; 0,2Nb; 0,19W
© З. А. Дуряпна, Г. В. Лазько, А. К. Борисюк, 2009
46
в
Рис. 1. Температурна залежнють питомо! намагнiченостi насичення сталi ЭП 823 тсля лазерного легування з обмазки 1:
а - Унагр.=30 град/хв, Уохол. = 30 град/хв, б - при повторному на^ванш Унагр = 30 град/хв, Уохол = 30 град/хв,
в - Унагр = 10 град/хв, Уохол.=30 град/хв
Для обчислення шлькосп залишкового аустенпу в поверхневих шарах як еталони застосовували зразки стал1 ЭП 823 тсля вщпалу. Використання таких ета-лошв дозволяе одержувати задовшьт результати лише при значних шлькостях залишкового аустенпу - в1д 10 % до 15 % [5]. Проведет нами обчислення показали, що шльшсть залишкового аустенпу в сформова-них тсля лазерного легування з обмазки 1 поверхневих шарах складае 37 % (мас.). Це дае тдстави гово-рити про коректшсть здшснено! ощнки за даною методикою.
Магштне перетворення при нагр1ванш та охолод-женш фжсували при 660 °С. Характер криво!, побудо-вано! при охолодженш в1д 750 °С, вказуе не тшьки на наявшсть легованого фериту, але й на процес утворен-ня мартенситу. Про наявшсть легованого фериту сввдчить 1 той факт, що температура появи намагшче-носп при охолодженш зб1гаеться з точкою Кюр1 ще! фази. При чому в 1нтерват температур 660-350 °С маг-штограма мае зворотний х1д, що встановлено шляхом проведення послщовних операцш нагр1вання та охо-
лодження в даному температурному штервал1. Р1зке зростання намагшченосп нижче в1д 350 °С вказуе на пропкання мартенситного перетворення у^-а (точка Мп). Шдтвердженням того, що змша намагшченосп в цьому штервал1 зумовлена фазовим перетворенням I роду, е незворотний х1д криво!, виявлений при повторному нагр1ванш зразка (рис. 1, б крива нагр1ван-ня). На кривш охолодження повторно нагриого зразка не спостер1гаеться перегин, яким супроводжуеться мартенситне перетворення. Очевидно, температура 780 °С недостатня для процесу аустешзацп.
Зазначимо, що тд час нагр1вання дослвджуваного зразка з1 швидк1стю 30 град/хв (рис. 1, а) перетворення залишкового аустенггу при його кшькосп 37 (% мас.) не встигае пройти повшстю. При цьому залишковий аустешт поводить себе аналопчно до переохолодже-ного нижче температури р1вноважного переходу, аустешту з наступним мартенситним перетворенням у процеа охолодження.
Дослвдження впливу швндкосп нагр1вання 10 град/хв та 30 град/хв (рис. 1, в) на переб1г фазових перетво-
1607-6885 Новi матерiали i технологи в металургИ та машинобудуванш №1, 2009 47
рень при HarpiBaHHi та подальшому охолодженш дос-лiджуваних зразшв показало таке. 3i зменшенням швидкостi нагрiвання зростання намагнiченостi пiд час розпаду залишкового аустенпу (при температурах вищих за 500 °С) стае чiткiше вираженим з бiльшою амплiтудою пiку на кривш температурно! залежностi. Швидшсть названия 10 град/хв е достатньою для того, щоб перетворення залишкового аустенпу завершилось при нагрiваннi до температури 760 °С. На кривш температурно! залежностi намагнiченостi при подальшому охолодженш немае перегишв, ввдповь дальш за фазовi перетворення I роду.
Шляхом послщовного пiдвищення температури циктв «на^вання-охолодження» зразка пiд час рее-страцiï температурних залежностей питомо! намагшченосп насичення побудовано залежностi намагшченосп при юмнатнш темпераIурi вщ температури на^ван-ня та визначено штервал розпаду залишкового аустенпу Початок розпаду ввдповвдае температурi 520 °С, а за-вершення - 640 °С (рис. 2, а). Однаковi значення пи-
томо! намагшченосп насичення при шмнатнш темпе-paiypi зразка перед на^ванням та пiсля охолодження вказують на вiдсyтнiсть перетворення залишкового аустенпу при данш швидкосп нaгpiвaння.
Коpектнiсть проведеного фазового aнaлiзy шдтвер-джуеться дослiдженнями особливостей структуроут-ворення, що вiдбyвaються в поверхневих шарах стaлi пiсля лазерного легування з обмазки 1. Зокрема, за результатами метaлогpaфiчного aнaлiзy торцевих шлiфiв дослiджyвaних зразк1в встановлено, що сфор-мований поверхневий шар, iнтегpaльне значення м^отвердосп якого коливаеться в межах 7,5-9,5 ГПа, складаеться з трьох зон (рис. 3, а). Перша зона, тов-щиною порядку 100 мкм, характеризуеться дабнозер-нистою будовою. Друга зона, на глибину до 20 мкм переважно складаеться зi стовпчастих дендpитiв, а третя зона, товщиною 100 мкм, являе собою мехашч-ну сyмiш piвновiсних дендритних кpистaлiтiв основного твердого розчину з включениями вторинних фаз.
0 100 200 300 400 500
" °г
700 800
T,°C
а
< ■I
0 100 200 300 400 500
T,°C
б
700 800
Рис. 2. Залежнють питомо! намагшченосп насичення поверхневих шар1в стал1 ЭП 823 тсля циктчних нагр1вань (¥нагр.=30 град./хв. ¥охол.=30 град/хв) тсля лазерного легування: а - з обмазки 1, б - з обмазки 2
L, мкм
Рис. 3. Характер розподшу мжротвердост та мжроструктура (х 250) поверхневих шар1в стал1 ЭП 823 тсля лазерного
легування з обмазки 1(а) та з обмазки 2 (б)
Проведенi нами термодинамiчнi розрахунки ймо-BÍpHOCTÍ утворення вторинних фаз [3] разом Í3 аналь зом ввдповвдних подвiйних та погрiйних дiаrрам стану Fe-Si, Fe-Ni-В, Fe-Cr-В та результи яшсного i кшьшсно-го мшрорентгеноспектрального аналiзу дали мож-ливiсть провдентиф^вати утворенi фази як: карбвди (Cr7C3, Cr23C6); нiтриди (SiN4, AlN, Cr2N); силiциди (Mo3Si, FeSi) та карбонириди. Це здiйснено опосеред-ковано за характером розпод^ елементного складу (Al, Si, С, Cr) за глибиною синтезованих шарiв (рис. 4, б).
Аналопчш маrнiтометричнi дослiдження проведет для поверхневих шарiв сталi ЭП 823, сформова-них пiсля лазерного легування з обмазки 2. Встанов-лено, що в даному випадку к1льк1сть залишкового аус-тенiту значно менша i становить близько 4 %. Бшьш точно визначити його шльшсть не видаеться можли-вим у результата меншо! придатностi використання як еталону вiдпаленоrо зразка, або вiроriднiше за все час-тково! аморфiзащ! сформованих поверхневих шарiв (з огляду на склад легувально! обмазки).
Зокрема, за даними металоrрафiчноrо аналiзу, так1 шари на вiдмiну вщ поверхневих шарiв, сформованих з обмазки 1, травляться дуже слабо, але можна вщзна-чити iснування дешлькох зон. Перша зона, товщиною порядку 20-30 мкм, складаеться з дисперсних денд-ритних кристалiв твердого розчину основи та велико! кiлькостi рiвномiрно розташованих вторинних фаз, проiдентифiкованих нами як карбщи (Cr7C3, Cr23C6) та штриди (SiN4, BN). Це шдтверджуеться суттевим пiдвищенням мiкротвердостi до 16 ГПа на цих донках (рис. 3, б). Друга зона, товщиною 50-60 мкм характеризуемся збшьшенням розмiрiв дендритних кри-сталiв та перемiщенням вторинних фаз до границ роз-дiлу з першою, зовнiшньою зоною поверхневого шару. Тому лопчно, що мiкротвердiсть ще! зони знижуеться до 13 ГПа. Перехвдна дифузiйна зона мае товщину порядку 100-150 мкм i плавно переходить у структуру основного матерiалу Слад зазначити, що металограф-iчно залишкового аустениу у поверхневих шарах не виявлено, що корелюе iз даними магниного фазового аналiзу Тому у зв'язку з низьким вмiстом залишково-
го аустениу зростання питомо! намагшченосп наси-чення, викликане розпадом залишкового аустетту, на кривих нагрiвания мало помине (рис. 5, а).
При охолодженш вiд температури 750 °С ввдбу-ваеться а ^ у перетворення, вiдмiчено точку Кюрi ут-вореного легованого фериту. Розпад аустениу на фе-рито-карбiдну сумiш вщбуваеться не повнiстю - час-тина аустениу переохолоджуеться i при температурi близько 350 °С перетворюеться в мартенсит. Питома намагтчетсть насичення при шмнатнш температурi зменшуеться за рахунок перетворення залишкового аустенiту. При охолодженш з вищою швидк1стю повторно нагрпого зразка (рис. 5, б) дещо бiльша к1льк1сть переохолодженого аустениу зазнае мартен-ситного перетворення. Рiвнiсть значень питомо! намаг-нiченостi насичення при кiмнатнiй температурi зразка перед на^ванням та пiсля охолодження вказуе на вiдсутнiсть залишкового аустетту при данiй швидкостi охолодження. Температурт залежностi питомо! намаг-нiченостi, вимiрянi при охолодженнi з рiзними швид-костями, наведенi на рис. 5, в.
Температурний iнтервал розпаду залишкового аустенпу, визначений методом цикл1чних на^вань, становить: початок розпаду - 520 °С , завершення - 630 °С (рис. 2, б).
Висновки
1. Кiлькiсть залишкового аустениу в поверхневих шарах корозшнотривко! сталi ЭП 823, сформованих тсля лазерного легування з обмазок 1 i 2, становить вiдповiдно 37 (% мас.) та 4 % (мас.).
2. Температура початку мартенситного перетворен-ня Мп сформованих шарiв становить 350 °С. Магни-не перетворення спостертаеться в поверхневих шарах сталi ЭП при 600 °С пiсля лазерного легування з обмазки 1.
3. Розпад залишкового аустениу в поверхневих шарах , сформованих тсля лазерного легування досль джувано! сталi з обмазки 1 вщбуваеться в iнтервалi температур вiд 520 °С до 640 °С, а тсля лазерного легування з обмазки 2 - вщ 520 °С до 630 °С.
Рис. 4. Мжроструктура стал1 ЭП 823(а х 2000) та профш розподшу елемен-пв за глибиною зразка (б) тсля лазерного
легування з обмазки 1
ISSN 1607-6885 Hoei Mamepia.nu i технологи в металурги та машинобудувант №1, 2009
49
180 160 140 T. 120 ^ <N 100 5 < 80 60 40 20 0
ЦЦ
v
ЩВДщ
1
V
0 100 200 300 400 500 600 7 T,°C ф нагр. скол. 00 800
T,°C
100
* 80 2
< 60
40
400
T, °C
Рис. 5. Температурна залежнють питомо! намагшченост насичення стал1 ЭП 823 июля лазерного легування з обмазки 2:
а - Унагр. = 30 град/хв, ¥охол.= 30 град/хв; б - Унагр. = 0 град/хв, Уохол. = 100 град/хв; в - при охолодженш з р1зними швидкостями: 1 - 400 град/хв; 2 - 100 град/хв; 3 - 60 град/хв; 4 - 30 град/хв
140
120
20
0
0
100
200
300
500
600
700
800
2
3
4
К
Перелж посилань
1. Оптим1зац1я режим1в лазерного легування нержавда-чо! стал1 12Х18Н10Т шляхом комп'ютерного моделю-вання розподшу температурного поля оплавлено! по-верхш : зб. праць 7 м1жнар. конф. 24-28 квге 2006 р. : Обладнання i технолог!! терм1чно! обробки метал1в i сплав1в «ОТТОМ-7». - Х., 2006. - Т. 1. - С. 168-172.
2. Дурягша З. А. Визначення оптимальних пapaметpiв лазерного легування стaлi шляхом комп'ютерного моде-лювання / З. А. Дурягша, Г. В. Лазько // Металознав-ство та обробка мaтеpiaлiв. - 2007. - № 4. - С. 48-53.
3. Дурягша З. А. Комп'ютерне моделювання оптимальних пapaметpiв лазерного легування корозшнотривких
сталей / З. А. Дурягша, Г. В. Лазько, Н. В. Пилипенко // Н^ матерiали i технолог!! в металургй та машинобу-дуванш. - 2008. - № 1. - С. 20-25.
4. Кондир А. I. Застосування вiбрацiйного магштометра для фазового аналiзу спещальних сталей та сплавiв / [А. I. Кондир, А. К. Борисюк, I. П. Паздрш, С. Г. Швач-ко] // Вибрации в технике и технологиях. - 2004. -Т. 34, № 2. - С. 41-43.
5. Апаев Б. А. Фазовый магнитный анализ /Апаев Б. А. -М. : Металлургия, 1976. - 280 с.
Одержано 12.04.2009
Magnetometric analysis of the phase changes in the surface layers of the stainless steel 3n 823 after laser alloying by coating mixtures of the alkali silicate base (50 % SiC + 50 % Al) and (20 % Fe + 40 % Ni + 30 % B + 10 % Si) are performed. The temperature intervals of the retained austenite transformation and the temperatures of martensitic and magnetic transformation were determined.
Magnetometric analysis of the phase changes in the surface layers of the stainless steel 3n 823 after laser alloying by coating mixtures of the alkali silicate base (50 % SiC + 50% Al) and (20 % Fe + 40 % Ni + 30 % B + 10 % Si) performed. The temperature intervals of the retained austenite transformation and the temperatures of martensitic transformation and magnetic transition were determined.
