CC BY
16С^д ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ТЕХНОЛОГИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ свойств СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ МЕТОДОМ Н00ЕРХН0СТН0Й ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ
И. В. ГОВОРОВ, доцент, канд. техн. наук, БГТУ, г. Брянск
Методы поверхностной лазерной обработки [1], несмотря на высокую стоимость соответствующего оборудования и интенсивный рост цен на энергоносители, остаются одним из перспективных направлений упрочнения деталей машин и технологической оснастки. Это объясняется локальным характером воздействия излучения на обрабатываемую поверхность, практически полностью исключающим тепловые деформации изделий, а также возможностью введения в зону лазерной обработки различными способами легирующих компонентов, что позволяет создавать поверхностные слои с уникальными физико-механическими и эксплуатационными свойствами. Дополнительный интерес у специалистов вызывает применение лазерных технологий для восстановления изношенных функциональных поверхностей деталей с одновременным повышением их ресурса.
Технология поверхностного модифицирования изделий с использованием лазерной энергии включает следующие этапы:
- нанесение легирующих компонентов на обрабатываемую поверхность;
- оплавление обрабатываемой поверхности лучом лазера;
- механическая обработка упрочненной поверхности.
Исследовались прочностные свойства лазерных покрытий, получаемых на образцах из сталей 20,40Х и 45, на основе бор- и хромсодержащих компонентов. Выбор процесса борохромирования объясняется тем, что при совместном насыщении обрабатываемой поверхности стальных изделий хромом и бором в модифицированном слое наряду с высокопрочными, но хрупкими боридами желэза образуются также и бориды хрома, обладающие как значительной твердостью (до Н\/ 2300), так и высокой трещиностойкостью при динамических нагрузках [2]. Поскольку бориды хрома и железа изоморфны, имеют одинаковый характер связи и близкие параметры решетки, взаимно растворимы друг в друге, а атомные диаметры хрома и железа близки по величине, при борохромировании в поверхностном слое создаются условия для образования непрерывного ряда твердых растворов. Формирующаяся при этом однородная (в отличие от иглообразной при борированиу) структура способствует также возникновению благоприятной для контактного нагружения эпюры остаточных напряжений.
Рассматривались два способа введения легирующих компонентов в упрочняемую (восстанавливаемую) поверхность: лазерное оплавление диффузионных борохромиро-ванных слоев, полученных в результате химико-термиче-ской обработки (ХТО), и лазерное легирование из обмазок.
Все составы для предварительного диффузионного насыщения, осуществляемого в муфельной электропечи в специальном герметичном контейнере [3], включали: 1) бор- и хромсодержащие вещества (основные насыщающие компоненты); 2) активаторы (для ускорения процесса диффузии); 3) инертные добавки (для предотвращения спекания смеси).
В состав используемых обмазок также входили содержащие бср и хром соединения и кроме этого дополнительные комгоненты, позволяющие повысить эффективность обработки (толщину формируемого покрытия, контактнуо прочность, трещиностойкость). Подготовленные мелкодисперсные составляющие обмазки перемешивались в связующем веществе и наносились на упрочняемую (восстанавливаемую) поверхность распылением струей сжатого воздуха [4].
Обработка поверхностей осуществлялась на технологической лазерной установке «Квант-18М», работающей в режиме свободной генерации на длине волны X = 1,06 мкм. Металлографические исследования получаемых покрытий осуществлялись на микроскопах МИМ-7 и МБС-2. Микротвердость измерялась на микротвердомере ПМТ-3. Для испытаний на контактную прочность использовалась специальная установка ударно-циклического нагружения. Критерием оценки контактной прочности был принят диаметр остаточного отпечатка после удара (одно- или многократного) по исследуемой поверхности конического твердосплавного индентора (а = 120°, ВК 8) [5] с определенной энергией.
Натурные испытания упрочненных опорных призм технологической оснастки, изготовленных из исследуемых материалов, проводились на специально разработанной установке, имитирующей цикл работы реального приспособления: установка заготовки - закрепление - выдержка под нагрузкой - снятие нагрузки - снятие заготовки. В качестве контртел использовались сменные образцы из стали 45 (НЯСэ 52). Абсолютный износ позле установленного числа циклов нагружения оценивался по профилограммам, обработанным с помощью ЭВМ.
Диффузионное насыщение поверхностей исследуемых образцов соединениями хрома и бора позволяет сформировать упрочненный слой толщиной 80... 100 мкм и I юверхностной микротвердостью до IIV 1600 (таблица). Оплавление поверхностей лучом лазера повышает их микротвердость на 10...20 %, однако небольшая глубина лазерного воздействия (до 50 мкм) не позволяет говорить о высокой эффективности получаемого покрытия.
Это подтверждают и результаты испытаний образцов на контактную прочность (рис. 1): если при однократном на-гружении диаметр остаточного отпечатка на обработанных лазером поверхностях существенно (на 30...40 %) меньше, чем на необработанных, то скорость накопления деформации (тангенс угла наклона соответствующих прямых) для них гораздо выше, и уже при 100 циклах нагружения диаметры остаточных отпечатков выравниваются, что указывает на разрушение упрочненного лазером слоя.
Более технологичным и эффективным методом поверхностной лазерной обработки является легирование изделий из обмазок. Разработку составов обмазок предлагается начинать с простых двухкомпонентных комбинаций бор- и хромсодержащих веществ.
ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
Результаты исследований прочностных свойств диффузионных борохромированных слоев
Но- Содержание компонентов, мае. % ХТО ХТ0 + лазерная обработка
мер состава В20з в4с Сг203 ai CaF2 NaF ai2o3 MgO Микротвердость, HV Диаметр отпечатка, мкм Микротвердость, Н v Диаметр отпечатка, мкм
1 20 - 10 20 7 3 40 - 1400 430 2130 306
2 20 - 25 15 10 5 25 - 1310 439 1750 390
3 20 - 10 20 15 10 25 - 1520 426 1760 385
4 20 - 10 20 10 5 - 35 1340 463 1600 418
5 20 - 10 20 10 5 15 20 1350 450 1610 418
6 20 - 10 20 20 - 30 - 800 580 980 488
7 30 - 10 20 10 5 25 - 1370 445 1820 336
8 20 10 10 20 10 5 25 - 1510 426 1730 385
9 10 20 10 20 10 5 20 5 1620 420 1830 328
10 - 30 10 15- 10 5 30 - 1780 407 2340 283
11 - 43 11 3 11 5 - 27 1760 405 2120 300
12 - 40 10 3 17 - 30 - 1620 418 1840 325
13 - 60 9 3 13 - 15 - 1610 415 1820 328
Экспериментальные исследования позволили определить оптимальное (по критерию максимальной микротвердости) соотношение следующих пар компонентов: В203 + Сг203; В203 + феррохром; В4С + Сг203. На рис. 2 приведены зависимости диаметра остаточного отпечатка от числа циклов нагружения образцов из стали 45 при различных вариантах лазерного легирования (комбинация В203 + Ог2П3). Контактная прочность поверхностей образцов, упрочненных лазеоом с использованием обмазок, обеспечивающих максимальную микротвердость, существенно выше, чем при борировании (100 % Е203) или хромировании (100 % Сг203). При этом на испытуемых поверхностях после 500 циклов нагружения отсутствуют трещины, сопровождающие процесс разрушения покрытия (пунктирный отрезок прямой 2 на рис. 2). Из всех исследуемых материалов наиболее высокие проч-
ностные показатели соответствуют борохромированным слоям на образцах из стал|4 40Х: поверхностная микротвердость до Н\/ 1950, диаметр остаточного отпечатка при однократном нагружении на 60 % меньше, чем на борохромированных поверхностях образцов из стали 20, и на 30 % - из стали 45.
Разработанные двухкомпонентные составы являются базовыми дня комплексных обмазок, которые формируются из базовых путем введения дополнительных компонентов. Так достаточно эффективным оказалось добавление в обмазку Сг203 + В203 некоторого (до 10 %) количества углерода (графита), способствующего более интенсивному поглощению световой энергии, а следовательно, проплавлению основного материала на большую глубину, восстановлению активных атомов хрома и бора и синтезу карбоборидов хрома, обеспечивающих в смеси
Рис. 1. Зависимость остаточной деформации от числа циклов контактного нагружения для различных покрытий: 1 - ХТО (состав № 6, табл.); 2- то же + лазерная обработка; 3 - ХТО (состав № 10, табл.); 4 - то же ' лазерная обработка
Рис. 2. Зависимость остаточной деформации от числа циклов нагружения образцов из стали 45 при различных вариантах лазерного легирования: 1 - борирование (100 % В203); 2 - хромирование (100 % Сг2Оэ); 3- борохромирование (70 % В2Оэ » 30 % Сг2Оэ)
С^Д ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ТЕХНОЛОГИЯ
с боридами хрома и железа высокие эксплуатационные свойства поверхностного слоя. В результате глубину упрочнения удалось повысить на 30...40 % при некотором увеличении микротвердости (до НУ 2000).
Увеличить глубину легирования до 290 мкм на образцах из сталей 20 и 45 удается путем введения в обмазку на основе В4С + Сг203 ферросилиция, обладающего небольшой температурой плавления и, следовательно, высокой жидкотекучестью. При этом эффект упрочнения сопровождается более интенсивным процессом кави-тационного перемешивания составляющих лигатуры в расплавленном поверхностном слое упрочняемого материала, что обеспечивает поверхностную микротвердость Н\/ 2100 и снижение диаметра остаточного отпечатка на 10... 15 % по сравнению с базовым составом.
С целью повышения прочностных свойств борохроми-рованных покрытий рассмотрена возможность введения в состав двухкомпонентной обмазки В + Сг203 оксида титана ТЮ2. Известно; что при борировании титана в аморфном боре на его поверхности образуются дибориды Т\В2, обладающие высокой микротвердостью (Н\/ 3400). Как показывают промышленные испытания, полученные боротитанированные покрытия эффективно защищают изделия от газовой коррозии, гидроэрозии, интенсивного абразивного износа, однако проявляют чрезвычайную хрупкость даже в условиях статических нагрузок. В то же время анализ литературных источников и собственные экспериментальные исследования [4] показапи, что совместное насыщение упрочняемой стальной поверхности хромом и титаном сопровождается образованием на ней слоя карбида титана ТС с микротвердостью Н\/ 3300, за которым следует пластичный слой, представляющий собой а-твердый раствор хрома в железе. Таким образом, разработанная комбинация В + Сг203 + ТЮ2, обеспечивающая формирование высокопрочных карбидов и боридов титана в пластичной матрице переходной зоны и основного металла, позволяет повысить микротвердость упрочняемых поверхностей на образцах из стали 40Х в 1,6 раза (до НУ 2200) с уменьшением остаточной деформации при однократном нагружении на 12-16 % по сравнению с двух-компонентным составом.
Слои, получаемые при лазерном модифицировании поверхностей стальных изделий соединениями титана, характеризуются склонностью к трещинообразованию, поэтому их использование в условиях динамических нагрузок не всегда целесообразно, несмотря на рассмотренный эффект при совместном с бором и хромом лазерном насыщении упрочняемой поверхности. Вместе с тем высокими прочностными свойствами обладают слои на основе карбида кремния благодаря его повышенной микротвердости (НУ 3200) и тепловой устойчивости, практически исключающей разложение соединения под действием концентрированных источников тепловой энергии. Однако различие в теплофизических свойствах карбида кремния и железа приводит к тому, что при непосредственном легировании сталей карбидом кремния не происходит равномерного распределения его в расплавленной лучом лазера железной матрице. Результатом является неравномерное распределение микротвердости по упрочненной поверхности. Целенаправленное решение этой проблемы позволило разработать обмазку на основе феррохрома (ФХ70) и В203 с добавлением карбида кремния вЮ, обеспечивающую на сталях 40Х и 45 поверхностную микротвердость до НУ 2500
при снижении числа трещин в 5-6 раз (при приложении ударной нагрузки с энергией 2,94 Дж) по сравнению с исходной обмазкой.
Как показывают результаты сравнительного анализа износостойкости упрочненных изделий (опорных призм) (рис. 3), изготовленных из исследуемых и инструменталэ-ной (У10А) сталей, наименьший износ при равных условиях нагружения имеют образцы из стали 40Х после борохро-мирования из обмазки В^Од + ФХ70 + БЮ (в среднем на 25-30 % меньше, чем для борохромированной из наиболее рационального состава стали 20, и в 1,7-1,9 раза меньше, чем для стали У10А).
3. \
4
0 ю 20 30 40 А/, *103 циклов
Рис. 3. Изменение величины абсолютного износа опорных призм: 1 - из стали У10А; 2 - стали 20 (обмазка В4С+Сг203+ФС65); 3 - стали 45 (обмазка В203+ФХ70+5Ю);
4 - стали 40Х (обмазка В203+ФХ70+8Ю)
Рассмотренные технологические методы могут быть использованы для обеспечения и повышения контактной прочности функциональных поверхностей как при восстановлении изношенных деталей (при ограниченной величине износа), так и при упрочнении вновь изготовляемых. Лазерное оплавление диффузионных покрытий целесообразно для стальных изделий, не подвергающихся значительным контактным нагрузкам, а также для устранения поверхностных дефектов, возникающих в процессе ХТО в виде пористости. Лазерное легирование из обмазок является более технологичным методом, позволяющим изменять физико-механические свойства получаемых покрытий путем изменения состава легирующих компонентов.
Список литературы
1. Григорьянц А. Г. Методы поверхностной лазерной обработки / А.Г. Григорьянц, А.Н. Сафонов. - М.: Высш. шк., 1987. - 192 с.
2. Ворошнин Л.Г. Борирование стали / Л.Г. Ворошнин, Л.С. Ляхович. - М.: Металлургия, 1978. - 240 с.
3. Колесников Ю.В. Получение стойких при контактных ударах покрытий различными способами борохромирование / Ю.В. Колесников, В.А. Ананьевский, И.В. Говоров //Физико-химическая механика материалов. - 1989. - № 1. - С. 101 -104.
4. Говоров И.В. Повышение поверхностной прочности углеродистой стали при лазерном нанесении хромсодержащих покрытий/И.В. Говоров, Ю.В. Колесников, Л.И. Миркин//Физика и химия обработки металлов. - 1988. - № 5. - С. 68-71.
5. Колесников Ю.В. Методика и установка для определения показателей роста деформаций при контактном ударно-циклическом нагружении / Ю.В. Колесников // Заводская лаборатория. - 1У8/. - № 11. - С. 80-82.
