CC BY
30DOI: 10.25712^т2072-8921.2019.01.029
УДК 669-155.2; 621.7
СРАВНЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ЛАЗЕРНОЙ ЗАКАЛКИ И ЛАЗЕРНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ПОВЕРХНОСТИ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ
Е.А. Маринин, Г.Н. Гаврилов, О.Б. Лисовская, Н.И. Маринина
В работе представлены сравнительные результаты экспериментальных исследований авторов по упрочнению поверхности низколегированных инструментальных сталей методами лазерной закалки и лазерной цементации. Цель работы - сравнение возможностей лазерной закалки и лазерной цементации по упрочнению и повышению износостойкости поверхности низколегированных инструментальных сталей. Показаны и объяснены механизмы упрочнения поверхности при сравниваемых технологиях. Описана схема насыщения поверхности инструментальной стали углеродом при лазерной цементации. Для лазерной закалки и цементации использовались СО2-лазер «ЛАТУС-31 и твердотельный дисковый TruDisk 1000. Эффект упрочнения поверхности и повышения износостойкости объяснен за счет измельчения карбидной фазы и увеличения содержания остаточного аустенита. Определены значения микротвердости поверхности инструментальных сталей после лазерной закалки и лазерной цементации. Микротвердость стали после лазерной закалки выше, чем после лазерной цементации за счет меньшего содержания аустенита остаточного. Максимальная микротвердость поверхности была получена на стали 9ХС и составила 9600 МПа при измерении под нагрузкой 100 г. Установлено, что при одинаковых энергетических параметрах лазерного излучения, лазерная цементация позволяет сформировать упрочненный слой, износостойкость которого превышает износостойкость образцов, подвергнутых лазерной закалке. Максимальное увеличение износостойкости поверхности было отмечено на стали 6ХС, подвергнутой лазерной цементации.
Ключевые слова: лазерная закалка, цементация, инструментальная сталь, мартенсит, аустенит остаточный, микротвердость, карбиды, износостойкость, диффузионный слой, микроструктура, угольный электрод.
Низколегированные инструментальные стали, такие как 6ХС, 9ХС и ХВГ, отличаются высокой твердостью поверхности и низкой теплостойкостью. Этот факт существенного ограничивает их применения в качестве материала для металлообрабатывающего инструмента. Основное направление применения этих сталей - деревообрабатывающий инструмент и штампы холодного деформирования. Такое использование этих сталей является экономически обоснованным. Повышение стойкости такого инструмента без существенного роста стоимости способно снизить металлоемкость, улучшить экологические показатели технологического процесса и повысить конкурентоспособность оборудования за счет сокращения эксплуатационных затрат. Для повышения ресурса работы (стойкости) в настоящее время используется большое количество технологий: начиная от объемных термических и химико-термических обработок
и заканчивая локальными, вызывающими изменения структуры и свойств только в поверхностном слое (закалка ТВЧ, лазерная закалка, лазерное легирование, плазменная закалка, ионная имплантация т.д.) [1-3].
Одним из наиболее перспективных способов упрочения поверхности и повышения стойкости указанных выше инструментальных сталей является лазерная обработка: закалка, легирование, наплавка. Основными преимуществами лазерной обработки являются технологическая воспроизводимость и отсутствие ограничений по размерам обрабатываемых образцов.
Главным механизмом упрочнения поверхности при лазерной закалке является мартенситное превращение. При этом на обрабатываемой поверхности за счет высоких скоростей нагрева и охлаждения формируется ультрамелкодисперсная структура, отличающаяся повышенными механическими характеристиками [4,5]. В большинстве случаев ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 1 2019
СРАВНЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ЛАЗЕРНОЙ ЗАКАЛКИ И ЛАЗЕРНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ПОВЕРХНОСТИ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ
для формирования окончательных свойств достаточно однократной обработки поверхности лазерным излучением. Упрочняющий эффект достигается как с обработкой без оплавления поверхности [6], так и с формированием на поверхности материала ванны расплава, при кристаллизации которой формируется упрочненный слой [7].
При лазерной цементации поверхность обрабатываемого материала насыщается углеродом. Источником углерода может служить нанесенная на поверхность углеродсо-держащая обмазка [Ошибка! Источник ссылки не найден.], избыточное давление газа при обработке в закрытой камере [9] или угольный электрод [Ошибка! Источник ссылки не найден.]. При лазерной цементации окончательные структура и свойства поверхности также формируются без дополнительной последующей термической или лазерной обработки.
При осуществлении лазерной цементации с использованием угольного электрода насыщение поверхности осуществляется за счет потока углеродного пара, направленного к обрабатываемой поверхности.
Процесс насыщения поверхности углеродом можно представить поэтапно:
- трансфер атомов и ионов углерода к поверхности;
- проход слоя Кнудсена, возникающего над поверхностью расплава, образованного быстрым лазерным нагревом [11]; массопере-нос в этом слое должен описываться кинетическим уравнением Больцмана;
- адсорбция углерода поверхностью расплава;
- химические реакции;
- растворение углерода в жидкой фазе в результате диффузии и конвективного перемешивания, при этом основным механизмом легирования является - конвективное перемешивание ванны расплава.
Поток атомов и ионов углерода, попадающий на поверхность расплава может быть определен из решения, предложенного авторами работы [Ошибка! Источник ссылки не найден.] на основании баланса сил для атомов, ионов и электронов:
т/ Л 1 1 , dPe г п
- Уп • (— +-+-)--е + пЕ = 0
е V / -г
Иег На Иег ^
п п п dPl
- У--У--(Уг - Уа )--~Т - ПЕ
Иег Иг, Ига ^
- - - (У - У ) - ^ = 0
е 1 \ а и т
Пае На? Ига ^
где ^в - подвижность электронов, определяемая кулоновскими столкновениями, Рв = пТв- электронное давление, п - концентрация плазмы, Тв - электронная температура, ось х направлена от катода к аноду, V -скорости компонент, N8 - концентрация атомов углерода. Подстрочные знаки имеют значения: в - электроны, /- ионы, а - атомы углерода, д - атомы защитного газа (аргона); в компонентах подвижности первый подстрочный символ обозначает частицу, которая рассеивается, а второй - на каких частицах происходит рассеивание [12].
Суммарный поток может быть определен по выражению [12]
] = -И
d (Ре - Р )
dx
На
Р
dx
При проведении лазерной цементации предварительный выбор режимов осуществлялся с использованием указанных предположений и с целью обеспечения насыщения поверхности углеродом примерно до 2,0%.
Исследования структуры и свойств поверхностного слоя сталей 6ХС, 9ХС и ХВГ после лазерной закалки и лазерной цементации проводили при плотности мощности непрерывного лазерного излучения СО2-лазера «ЛАТУС-31», q=18,0-24,0 кВт/см2 и скорости перемещения лазерного луча на v=4,0-8,0 мм/с, а также твердотельного лазера TruDisk 1000, q=50-114 кВт/см2 и скорости перемещения лазерного луча v =20 мм/с. Фотографии микроструктуры были получены на оптическом микроскопе NEOРНOТ-21 и электронном сканирующем микроскопе JEOL JSM-6510 LV. Микротвердость измерялась на мик-ротвердометре ПМТ-3. Фазовый состав исследовался на рентгеновском аппарате XRD 700 Shimadzu. Относительная износостойкость оценивалась по потере массы при сухом трении абразивными частицами.
При лазерной закалке сталей 6ХС, 9ХС и ХВГ было отмечено существенное увеличение микротвердости поверхностного слоя. Максимальные значения микротвердости были получены на стали 9ХС и составили 9600 МПа. Микротвердость поверхности стали 6ХС после лазерной закалки составила 9000 = М Па, а стали ХВГ - 7500 МПа.
В поверхностном слое исследуемых марок сталей формируется плохо травящийся слой, состоящий из мартенсита, аустенита
остаточного и карбидов. При увеличении плотности мощности лазерного излучения до обеспечения нагрева поверхности до температур близких к температуре плавления и выше,
V ■■ • ,v WVjrt ■• , ; . ,
гЛ vUSf JMV ЧМЛЛКжМв
ЧЙл'Л 1 ад .„ WjJfagj
Г; Щ-^Г oJfc ЁЭЕЖ
0-" / V • ..'. - ■ »ЯЬ,* - V«
л • I/ .. •». ' . ij. •• -Ы
• . «&.Л 'itff" ,R . . • Г > 'V
. • »jfrw. • I V?
/Яш ■ ' •'3SJ3L
' 15KV ■ WMitwi ; S64.il C, . ' xt.COO , - . " ЮЫг
General • - \v\, . •Samofi .' .0000' ■-"-¡17 Dec.20'i2
происходит растворение в аустените и измельчение карбидов (рисунок 1). Это должно положительно сказываться на свойствах поверхности в общем и сопротивлению развитию трещины в частности [13,14].
, . Л ."'¡.(/л
VVVvyfjS«•
'A ¡p <*
^/j^'tih^yb-i j uV'{> " !;< /;'•' 4, 1.1___'
* Ч i'r* i t* ЖЩ
mm ?VAfk&fi/*>; f. 'О '/'^Ц fjS'-A'i v • • i\ ' 5 И» 1 Л
Л'гtJ •г» \ л
Wf л if 1 ^ иР^го!ii t'iV^
шЩ • iXt . i.v .. '
шщ Y* J if ? ** ■ '■if \' ty J f
f '» ;:.4 • > /
Ys/Sfw ХУУ// ' ' jiJtiTj r* ' i .i'1 w. iT-htl ¡SI* ' tfH rt Ji •fJsf^T■ Wi cife t
шЖшА ,jf Л'
SEI 20kV WD11mr SS39 X1.000 —— 10|jn
General Sample .oooo 06 Sep 2012
а) б)
Рисунок 1 - Микроструктура поверхности стали 6ХС до (а) и после (б) лазерной закалки
Переходная зона состоит из перлита, мартенсита и аустенита остаточного.
При исследовании нормализованных и образцов, предварительно закаленных было отмечено, что максимальные значения микротвердости поверхности практически не отличаются друг от друга.
Микроструктуры поверхности сталей 6ХС, 9ХС и ХВГ, формирующиеся в поверхностном слое при лазерной цементации, показаны на рисунках 2 и 3. Процентное содержание углерода в поверхности составило 1,8-2,0%.
На поверхности стали 6ХС располагается структурная композиция мартенсита и аусте-нита остаточного. Значения микротвердости составляют = 8500 МПа. Глубина диффузионного слоя составила 0,3-0,5 мм.
В поверхностном слое стали ХВГ был обнаружен плохо травящийся слой, состоящий из реечного мартенсита и остаточного аусте-нита, обогащенного растворившимися в нем карбидами и цементитом. Микротвердость поверхности составила 7300 МПа.
а) б)
Рисунок 2 - Микроструктура сталей 6ХС (а) и 9ХС (б) после лазерной цементации, *500
СРАВНЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ЛАЗЕРНОЙ ЗАКАЛКИ И ЛАЗЕРНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ПОВЕРХНОСТИ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ
Рисунок 3 - Микроструктура стали ХВГ после лазерной цементации, х 500
При повышении плотности мощности лазерного излучения глубина легирования и величина упрочненной зоны увеличиваются практически линейно. При этом упрочнение на наибольшую глубину при одинаковых энергетических параметрах было отмечено для стали ХВГ (при плотности мощности 90 кВт/см2) и составило 0,6 мм.
Для насыщения поверхности углеродом необходимо сформировать ванну расплава, при этом образующийся при кристаллизации
аустенит обогащается углеродом и легирующими компонентами, что повышает устойчивость аустенита. По этой причине поверхностный слой исследуемых сталей после лазерной цементации имеет более низкую твердость, чем после лазерной закалки. Рентгенострук-турный анализ показал, что количество аустенита остаточного в поверхностном слое составляет 35-40 %.
Результаты исследований износостойкости приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Результаты испытаний на относительную износостойкость
Марка стали Вид обработки Коэффициент относительной износостойкости Ки
Предварительная термообработка Поверхностная термообработка
9ХС закалка 870°+отпуск 300° 1
закалка 870°+отпуск 300° лазерная закалка 1,32
закалка 870°+отпуск 300° лазерная цементация 2,15
6ХС закалка 870°+отпуск 300° 1
закалка 870°+отпуск 300° лазерная закалка 1,5
закалка 870°+отпуск 300° лазерная цементация 2,17
ХВГ закалка 830°+отпуск 300° 1
закалка 830°+отпуск 300° лазерная закалка 1,4
закалка 830°+отпуск 300° лазерная цементация 1,94
Образцы после лазерной цементации имели более высокий коэффициент относительной износостойкости по сравнению с лазерной закалкой и объемным термическим упрочнением. Вероятно, на износостойкость оказал положительное влияние аустенит остаточный, который несколько снизил микротвердость и повысил пластические свойства поверхности.
ВЫВОДЫ
1. Микротвердость поверхности после лазерной закалки составляет для стали 6ХС -9000 МПа,9ХС - 9600 МПа, ХВГ - 7500 МПа: после лазерной цементации: 6ХС - 8500 МПа, 9ХС - 9000 МПа, ХВГ - 7300 МПа.
2. Лазерная закалка позволяет сформировать на поверхности инструментальных сталей 6ХС, 9ХС, ХВГ структуры, микротвердость
которых выше, чем микротвердость после лазерной цементации.
3. Лазерная цементация позволяет обеспечить содержание углерода в поверхностном слое исследуемых сталей 1,8-2,0%.
4. В результате лазерной цементации на поверхности сталей 6ХС, 9ХС и ХВГ формируется структура с содержанием аустенита остаточного 35-40%, отличающаяся повышенной износостойкостью при абразивном сухом изнашивании. Относительная износостойкость после лазерной цементации увеличилась примерно в 2 раза для всех исследуемых марок по сравнению с объемным термическим упрочнением.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Самотугин, С.С. Плазменное микро- и наноструктурирование поверхности инструментальных сталей / С. С. Самотугин, В.А. Мазур // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2013. - № 4. - С. 29-37.
2. Алимов, В.И. Химико-термическое упрочнение с использованием плазмы дугового разряда /В.И. Алимов, В.Н. Крымов //Технология машиностроения. -№1.- 2005.- С. 50-53.
3. Коваленко, В.С. Упрочнение и легирование деталей машин лучом лазера / В.С. Коваленко, Л.Ф. Головко, В.С. Черненко. - Киев: Техника, 1990. -192 с.
4. Григорьянц, А.Г, Методы поверхностной лазерной обработки / А.Г. Григорьянц, А.Н. Сафонов - М.: Высшая школа, 1987. - 190 с.
5. Гаврилов, Г.Н. Исследование структуры и свойств инструментальных сталей после лазерной обработки / Г.Н. Гаврилов, М.Н. Дик, Д.О. Федотов // Сборник материалов XV Междунар. молодежной науч.-технич. конференции «Будущее технической науки», г.Н.Новгород, НГТУ им. Р.Е.Алексеева.-2016.- С.367-368.
6. Григорьянц, А.Г. Основы лазерного термоупрочнения сплавов / А.Г. Григорьянц, А.Н., Сафонов - М.: Высшая школа, 1988. - 159 с.
7. Ломаев, Г.В. Упрочняющая обработка поверхности методом высокоскоростной лазерной перекристаллизации / Г.В. Ломаев, Е.В. Харанжев-ский // Металловедение и термическая обработка металлов. - №3.-2002.- С. 27-32.
8. Веремеевич, А.Н. Изучение процесса цементации с применением лазеров непрерывного действия / А.Н. Веремеевич, М.Н. Кряжина // Тезисы докладов Всесоюзного научно-технического симпозиума «Повышение износостойкости и усталостной
прочности деталей машин обработкой концентрированными потоками энергии». - М: - Изд-во ИМАШ АНСССР, 1985, С. 12.
9. Рыкалин, H.H. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов / Н.Н. Рыкалин, А.А. Углов, Н.В. Зуев. - М.: Машиностроение, 1985. -211 с.
10. Marinin, E.A Increasing the intensity of cementation process of tool low-alloy steels by surface laser treatment / E.A. Marinin, S.P. Grachev, A.L. Flax-man // Materials Science Forum. 2016. Т. 870. p. 377382.
11. Углов, А.А. Моделирование поверхностного азотирования металлов из газовой атмосферы при импульсном лазерном облучении /А.А. Углов, А.Г. Гнедовец, О.М. Портнов //Физика и химия обработки материалов. - 1988.- №2.- С. 62-67.
12. Алексеев, Н.И. Дуговой разряд с испаряющимся анодом (Почему род буферного газа влияет на процесс образования фуллеренов?) /Н.И. Алексеев, Г.А. Дюжев // Журнал технической физики. -2001.-т. 71.-№10. С. 41-49.
13. Алимов, В.И. Химико-термическое упрочнение с использованием плазмы дугового разряда /В.И. Алимов, В.Н. Крымов //Технология машиностроения. -№1.- 2005.- с. 50-53.
14. Ставрев, Д. С. Образование и изменение карбидов в железоуглеродистых сплавах под воздействием КПЭ / Д. С. Ставрев // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2003. - № 11. - С. 3-6.
Маринин Евгений Анатольевич, ассистент, Вятский государственный университет, кафедра «Информационные технологии в машиностроении», e-mail: ma-rinin@vyatsu.ru; тел. +7(922)907-59-97;
Гаврилов Геннадий Николаевич, д.т.н., профессор, Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, кафедра «Материаловедения, технологии материалов и термической обработки металлов», e-mail: gavrilov1109 @mail.ru.
Лисовская Ольга Борисовна, к.т.н., доцент, Вятский государственный университет, кафедра «Материаловедения и основ конструирования», e-mail: lisovskaya@ vyatsu.ru.
Маринина Надежда Игоревна, магистрант, Вятский государственный университет, кафедра «Материаловедения и основ конструирования», e-mail: sozontova@ vyatsu.ru.
