CC BY
174
УДК 621.793.6-0.34.15
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ ДИФФУЗИОННЫХ ПОКРЫТИЙ НА СТАЛЯХ С ВЫСОКИМИ МЕХАНИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
О.В. Чудина, профессор, д.т.н., В.А. Александров, доцент, к.т.н., А.А. Брежнев, аспирант, МАДИ (ГТУ)
Аннотация. Представлена комбинированная технология поверхностного упрочнения конструкционных сталей, включающая локальное лазерное легирование, металлизацию и азотирование. Показано, что предварительное локальное легирование позволяет снизить температуру, сократить длительность процесса металлизации и получить толщину диффузионного слоя в 2 раза больше по сравнению с традиционными методами. Азотирование металлизированной стали 40Х повышает микротвердость упрочненного слоя до 18000 МПа.
Ключевые слова: лазерное легирование, металлизация, азотирование, комплексная химико-термическая обработка изделий, повышение работоспособности изделий.
Введение
Ответственные детали, от сердцевины которых требуется высокая ударная вязкость, а от поверхности высокая твердость и износостойкость, обычно изготавливаются из легированных сталей и подвергаются поверхностному упрочнению - цементации, азотированию, нитроцементации и др. [1, 2]. В автомобиле одной из таких деталей является полуось. Как правило, полуоси изготавливаются из среднеуглеродистых или среднеуг-леродистых низколегированных сталей 35, 40, 40Х, 38ХГС.
На кафедру металловедения обратились за помощью сотрудники инженерной группы Формулы Гибрид МАДИ (ГТУ). Из-за отказов полуосей их автомобиль не выдерживал дистанцию гонки. Анализ отказавших полуосей показал, что поломка возникала из-за износа поверхности шлицевых соединений. Полуось, которую нам предложили упрочнить, изготовлена серийно на ижевском заводе из стали 40Х по стандартной схеме термообработки, и после её упрочнения механическая обработка не предполагается. Стандартной термообработкой такой стали является улучшение. Полученная после за-
калки и высокого отпуска структура сорбита зернистого имеет повышенную ударную вязкость, низкую твердость и износостойкость, что приводит к быстрому износу поверхности шлицевого соединения. Для повышения твердости и износостойкости необходимо получить на поверхности изделия слой, обладающий свойствами высоколегированной стали. Известно, что модифицирование поверхности осуществляется либо диффузионной металлизацией [2], либо поверхностным легированием с использованием источника высококонцентрированной энергии, например, при лазерном нагреве [3, 4].
Диффузионная металлизация проводится в печи при температуре 950 °С - 1050 °С. Толщина металлизированного слоя невелика 50 - 70 мкм, причем концентрация легирующего элемента резко снижается от поверхности вглубь. Кроме того, при высоких температурах нагрева растет зерно аустенита и возможна деформация изделия. Поэтому необходимо проведение дополнительной термической и механической обработки, что усложняет технологический процесс.
Легирование при лазерном нагреве позволяет получать слои толщиной до 300 мкм при им-
пульсном воздействии и до 700 - 800 мкм при непрерывном. При этом распределение легирующего элемента в зоне лазерного воздействия равномерно по всей толщине. Высокие скорости нагрева и охлаждения приводят к образованию неравновесных структур с высокой микротвердостью. Недостатком лазерного легирования являются неблагоприятные растягивающие остаточные напряжения на границе между зоной лазерного воздействия и материалом матрицы, приводящие к образованию трещин в процессе эксплуатации [5, 6]. Напряжения можно уменьшить дополнительным нагревом, при этом снижается твердость упрочненных слоев.
Также известно, что повышение износостойкости высоколегированных сталей достигается азотированием за счет образования дисперсных нитридов легирующих элементов
[7].
С учетом изложенного выше для решения поставленной задачи предлагается комбинированная технология, сочетающая в себе перечисленные способы поверхностного упрочнения среднеуглеродистых сталей:
- локальное легирование поверхности стали при лазерном нагреве;
- металлизация в печи при пониженных температурах;
- азотирование.
Методика проведения исследований
Перед обработкой необходимо подготовить поверхность изделия, т.е. должна быть проведена полностью механическая обработка, в том числе и финишные операции. Затем на поверхность наносится шликерная обмазка, состоящая из:
- порошка легирующего элемента (Cr, Ti, Ni, Al, и др);
- галогенида (например, CrCl2, NH4Cl) для ускорения транспортных реакций при металлизации;
- порошка активированного угля, препятствующего образованию оксидных пленок, которые замедляют процесс металлизации;
- в качестве связующего вещества используется цапонлак.
Локальное легирование проводили на импульсном лазере «Квант-15» с мощностью 10 Дж и длительностью импульса 4 мс.
После лазерного легирования восстанавливали целостность шликерной обмазки, так как после лазерной обработки она нарушилась.
Металлизацию проводили в печи при температуре 700 °С в среде диссоциированного аммиака в течение 3 часов с последующим охлаждением в печи. Азотирование проводили при t=570 °С в течение 3 часов со степенью диссоциации аммиака 30%.
Микроструктуры шлифов исследовали на микроскопе Axiovert 25 CA. Измерения микротвердости упрочненных слоев проводили по стандартной методике на микротвердомере ПМТ-3 при нагрузке 50 г.
Обсуждение результатов работы
Лазерное легирование является промежуточной стадией, которая позволяет создать локальные участки модифицированной поверхности. В рассматриваемом случае (шлицевые соединения полуосей) большое значение имеет величина образующихся после лазерного легирования наплывов, поскольку технология не предусматривает последующей механической обработки. Поэтому режим лазерного легирования выбирали таким образом, чтобы глубина переплава была минимальной, - это позволит минимизировать неровности поверхности. Легированные зоны являются дополнительным источником, от которого в процессе металлизации происходит диффузия легирующего элемента, как на поверхности, так и в глубь детали. Это позволило снизить температуру процесса металлизации до 700 °С и сократить длительность насыщения до 3 часов.
В процессе металлизации галогенид, находящийся в шликере, распадается на ионы галогена и Ме или NH4 и на поверхности детали происходит реакция
CrCl2+Fe~Cr+FeCl2|.
В результате поверхность детали насыщается легирующим элементом, причем диффузия начинается от зон лазерного легирования и идет как по поверхности, так и в глубь детали, что позволяет получить диффузионный слой толщиной 100 мкм на всей поверхности
вне зависимости от сложности ее геометрии. На рис. 1 представлены микроструктуры стали 40Х после металлизации в зоне лазерного легирования (рис. 1, а) и вне её (рис. 1, б).
Для сравнения были проведены исследования стали 40Х, подвергнутые металлизации по тем же режимам, но без лазерного легирования. В этом случае толщина диффузионного слоя не превышает 40 мкм.
первом случае (рис. 2) против 60 мкм во втором (рис. 3).
.Л
• ■ЛК' б
Рис. 1. Микроструктуры стали 40Х после лазерного легирования и металлизации: а -в зоне лазерного легирования, б - вне зоны лазерного легирования
Результаты дюрометрических исследований представлены на рис. 2, 3. Из графиков распределения микротвердости по толщине видно, что твердость металлизированного диффузионного слоя с предварительным лазерным легированием и без него отличается незначительно и составляет 12000-13000 МПа.
Микротвердость поверхности значительно выше, чем в сердцевине, и сопоставима с твердостью закаленной легированной стали. Также следует отметить, что глубина слоя эффективного упрочнения (с твердостью выше 5000 МПа) составляет около 120 мкм в
14000
12000
10000
ГС 8000 С
Щ.
X 6000 4000
п
\
1 г 1
Г-
100
200
300
И мкм
400
500
600
Рис. 2. Распределение микротвердости по толщине стали 40Х после металлизации: 1 - вне зоны лазерного легирования, 2 -в зоне лазерного легирования
Для достижения более высокого уровня упрочнения, а следовательно, износостойкости, способности к прирабатыванию, снижения коэффициента трения после металлизации проводили азотирование. Известно, что е-фаза, образующаяся на поверхности в процессе азотирования, обеспечивает хорошую прирабатываемость, снижает коэффициент трения и повышает задиростойкость изделий
[1, 2, 7].
Микроструктура азотированной металлизированной стали 40Х представлена на рис 4. Азотирование металлизированной стали 40Х повышает микротвердость упрочненного слоя до 18000 МПа (рис. 5). Видно, что под металлизированным слоем твердость достаточно высока 13000 МПа, что невозможно достичь в предлагаемой технологии без азотирования. При этом толщина слоя эффективного упрочнения (с твердостью выше 10000 МПа) составляет порядка 200 мкм, что больше слоя эффективного упрочнения после лазерного легирования и металлизации без последующего азотирования. По-видимому, это связано с дальнейшей диффузией легирующего элемента вглубь и образованием дисперсных нитридов в процессе азотирования.
Результаты проведенных экспериментов показали, что предложенную технологию упрочнения стали 40Х по указанным режимам можно рекомендовать для упрочнения полу-
2000
0
0
а
осей автомобиля Формулы Гибрид МАДИ (ГТУ). После упрочнения по комбинированной технологии полуоси были переданы сотрудникам Формулы Гибрид и установлены на гоночный автомобиль. На сегодняшний день они прошли более 600 км, а до обработки не выдерживали и 400 км.
14000
12000
10000
га 8000 с ш
х 6000
4000 2000 0
0 100 200 300 400 500 600 700 800
И мкм
Рис. 3. Распределение микротвердости по толщине стали 40Х после металлизации без лазерного легирования
Рис. 4. Микроструктура стали 40Х после металлизации с последующим азотированием
0 100 200 300 400 500 600 700 800
И мкм
Рис. 5. Распределение микротвердости по толщине металлизированной стали 40Х с последующим азотированием
Выводы
1. Предложена комбинированная технология поверхностного упрочнения конструкционных сталей, включающая локальное лазерное легирование, металлизацию и азотирование.
2. Показано, что предварительное локальное легирование позволяет снизить температуру, сократить длительность процесса металлизации и получить толщину диффузионного слоя в 2 раза больше по сравнению с традиционными методами.
3. Азотирование металлизированной стали 40Х повышает микротвердость упрочненного слоя до 15000 МПа.
Литература
1. Лахтин Ю.М., Коган Я.Д. Азотирование
стали. - М.: Машиностроение, 1976. -256 с.
2. Лахтин Ю.М., Арзамасов Б.Н. Химико-
термическая обработка металлов. - М.: Металлургия, 1985. - 256 с.
3. Рыкалин Н.Н., Углов А. А., Зуев И.В., Ко-
кора А.Н. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов: Справочник. - М.: Машиностроение, 1985. - 496 с.
4. Григорьянц А.Г. Основы лазерной обра-
ботки материалов. - М.: Машиностроение, 1989. - 304 с.
5. Рентгенографическое исследование оста-
точных напряжений, возникающих после импульсной лазерной закалки сталей / Великих В.С., Воронов И.Н., Гонча-ренко В.П. и др. // Физика и химия обработки материалов. - 1982. - № 6. -С.138 - 143.
6. Origin and Development of Residual Stresses
Jnduced by laser Surface - Hardening Treatments / Solind A., Dl. Sanctis M. Paganini L. oth. // J. Heat Treat. - 1984. - 3. № 3. - P. 193 - 204.
7. Лахтин Ю.М., Коган Я.Д. Внутреннее азо-
тирование металлов и сплавов // Металловедение и термообработка металлов. -1974. - №3. - С. 20 - 28.
Рецензент: А.П. Любченко, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 25 июня 2009 г.
