CC BY
15
УДК 621.78
В.И. Проскуряков, Н.А., Дуланов, С.А. Бородина
УПРОЧНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ХРОМОНИКЕЛЕВОЙ СТАЛИ 12Х18Н10Т ЛАЗЕРНЫМ ЛЕГИРОВАНИЕМ ПОРОШКОМ СИЛИЦИДА МОЛИБДЕНА
Аннотация. В статье приведены результаты исследования процесса лазерного упрочнения нержавеющей хромоникелевой стали 12Х1ННЮТ с применением легирующего порошка силицида молибдена. Установлено, что лазерное легирование приводит к формированию равномерно распределенного микрорельефа поверхностного слоя и повышению его микротвердости. Проведен сравнительный анализ влияния предварительной подготовки поверхности абразивноструйной обработкой и шлифованием на величину микротвердости.
Ключевые слова: лазерное упрочнение, микротвердость, хромоникелевые стали, лазерное легирование
V.I. Proskuryakov, N.A. Dulanov, S.A. Borodina
HARDENING THE 12X18H10T CHROME-NICKEL STEEL SURFACE USING MOLYBDENUM SILICIDE POWDER FOR LASER DOPING
Abstract. The outcome of research into laser hardening of the stainless I2KhI8NI ОТ steel using the molybdenum silicide doping powder is presented. It has been established that laser doping ensures forming a uniform microrelief of the surface layer and increases its microhardness. A comparative analysis is made to find out the impact of preliminary surface treatment by means of ctbrctsive-blasling and glazing procedures on its microhardness properties.
Keywords: laser hardening; microhardness, chromium-nickel steel, laser doping
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время на мировом и российском рынках большую популярность нашли хромоникелевые стали, содержащие в среднем 18% хрома и 10% никеля. Такие стали благодаря своим физико-механическим свойствам, коррозионной стойкости, а также доступности нашли широкое применение в медицинской, нефтяной, химической, машиностроительной и других отраслях промышленности [1-5]. Изделия из нержавеющей стали 12Х18Н10Т характеризуются длительным сроком службы. Однако работающие в условиях контактного трения, в средах, содержащих ионы хлора, а также серную или соляную кислоты, такие изделия подвергаются коррозии и преждевременному изнашиванию. Известно, что для увеличения их ресурса зачастую достаточно поверхностного упрочнения за счет модифицирования поверхностного слоя [6].
На сегодняшний день лазерное легирование металлов и сплавов является прогрессивным и эффективным методом модификации рабочих поверхностей, повышающим эксплуатационные свойства металлических изделий. При определенных технологических режимах лазерной обработки, а также в зависимости от легирующего элемента модифицированный поверхностный слой может обладать повышенными механическими характеристиками, теплостойкостью, коррозионной стойкостью и т.д.
Наиболее широко распространенным является способ лазерного импульсного легирования с заранее подготовленной поверхностью. Подготовка поверхности предусматривает нанесение на неё обмазки определенного компонентного состава. Следует отметить, что та-
кой способ требует создания предварительной шероховатости поверхности для обеспечения удержания обмазки. Преимуществами данной технологии являются возможность варьирования полученными свойствами поверхности, локальность воздействия, относительная простота реализации технологического процесса обработки.
Для лазерного легирования хромоникелевой стали 12XI8H10T и повышения её механических характеристик имеются рекомендации по применению различных химических элементов и соединений в качестве обмазок. Однако промышленно изготавливаемых обмазок сегодня не производится. Известно, что для изготовления легирующих обмазок зачастую используют медицинский клей, не вызывающий газообразования при горении и не содержащий вредных неметаллических включений. Также необходимо учесть, что введение в металл или сплав в качестве легирующего компонента молибдена или титана приводит к значительному повышению физико-механических характеристик [7-9].
В этой связи целью работы являлось исследование возможности упрочнения поверхности нержавеющей стали аустенитного класса 12Х18Н10Т лазерным импульсным легированием в слое обмазки, а также проведение сравнительного анализа влияния предварительной подготовки поверхности на величину микротвердости опытных образцов.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Исследования проводили на образцах нержавеющей хромоникелевой стали 12Х18Н10Т в виде пластин размерами 7><7х2 мм. Часть образцов подвергалась предварительной абразивноструйной обработке (ACO) частицами порошка электрокорунда дисперсностью 200-250 нм, другая часть - шлифованию (Ш) влагостойкой наждачной бумагой зернистостью Р230.
Образцы очищали от технологических загрязнений методом ультразвуковой очистки с использованием ванны «Кристал-2.5» в водном растворе этилового спирта в течение 20 мин.
В качестве обмазки использовались медицинский клей БФ-6 и порошок силицида молибдена дисперсностью < 25 нм, которые смешивались до образования однородной суспензии. Подготовленная паста наносилась на поверхность образцов равномерно распределённым слоем толщиной 200-300 нм. Модифицирование поверхностного слоя проводили на автоматизированной установке для термофизической когерентной модификации поверхности LRS-50A, при напряжении импульса U = 250, 300, 350, 400 В и длительности т импульсного воздействия 0,5 мс. Луч фокусировался в пятно диаметром 0,5 мм. Сканирование поверхности осуществлялось при частоте следования импульсов излучения 20 Гц и коэффициенте перекрытия 0,25.
Модифицированная поверхность исследовалась методом оптической микроскопии с использованием микроскопа МБС-10 м.
Микротвердость измерялась с использованием твердомера ПМТ-ЗМ с индентором Виккерса при нагрузке на индентор 1.961 Н (ISO 6507-1:2005). Статистическую обработку результатов исследования проводили с использованием программы DataFit 9.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Модифицированная поверхность опытных образцов, предварительно прошедших ACO, характеризуется более равномерно распределенным рельефом (рис. 1а). На предварительно шлифованной поверхности визуализируется локальное оплавление обработанных участков (рис. 16).
Результаты измерений микротвердости Н показали существенное упрочнение поверхности опытных образцов в результате лазерного импульсного легирования - с 1,4 ± 0,1 ГПа до 6,87 ± 0,1 ГПа (таблица). Установлено, что предварительная абразивноструйная обработка поверхности приводит к увеличению микротвердости более чем в три раза. Такое явление связано с эффектом наклепа поверхностного слоя опытных образцов частицами электрокорундового порошка.
Вестник СГТУ. 2020. № 1 (84)
Рис. 1. Поверхность стали 12Х18Н10Т после лазерного легирования, предварительно подвергнутая абразивноструйной обработке (а) и шлифованию (б)
Результаты измерения микротвердости модифицированной поверхности стали 12Х18Н10Т
АСО Ш
т. мс и, В Н. ГПа т, мс и, В Н. ГПа
0,5 250 3.84 0,5 250 2.4
300 4,04 300 2.41
350 3,27 350 2,43
400 6,87 400 3,4
По результатам измерения были построены графики зависимости микротвердости модифицированного поверхностного слоя от напряжения импульса (рис. 2).
II, ГПн ¿1 в II, ГПа - 0
/
/
/
>
1-
о ас зоо ]» «о ц з 0.00 250 ¡00 350 «0 ^ до
Рис. 2. Зависимость микротвердости модифицированной поверхности стали 12Х18Н10Т: а - поверхность, модифицированная после абразивноструйной обработки, б - поверхность, модифицированная после шлифования
ВЫВОДЫ
Построенные зависимости свидетельствуют о том, что значительный рост микротвердости модифицированной поверхности происходит при напряжении импульса свыше 350 В. Такой диапазон режимов лазерной обработки (при напряжении импульса 350-400 В) характеризуется сильным оплавлением поверхности. В связи с этим можно предположить, что при таких режимах лазерного импульсного воздействия диффузия легирующих элементов, в частности частиц порошка силицида молибдена, протекает более активно.
На основании полученных результатов эксперимента было выявлено влияние предварительной обработки поверхности стали и последующего лазерного легирования в слое обмазки на величину микротвердости поверхности. Установлено, что в результате предварительной абразивноструйной обработки и последующего лазерного легирования с нанесенной суспензией, из-
готовленной из медицинского клея БФ-6 и порошка силицида молибдена, на модифицированном участке нержавеющей хромоникелевой стали происходит формирование высокотвердого поверхностного слоя, характеризуемого равномерно распределенным микрорельефом.
1. Коломийцев Е.В. Коррозионно-усталостная прочность тавровых соединений стали 12Х18Н10Т и методы ее повышения //Автоматическая сварка. 2012. №. 12. С. 41-43.
2. Родионов И.В. Костные металлоимплантаты с оксидными биосовместимыми покрытиями //сб. трудов XV Междунар. научно-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии». Томск: Изд-во ТПУ, 2009. Т. I. С. 569-571.
3. Родионов И.В. Коррозионные потенциалы различных видов поверхностей стальных ортопедических остеофиксаторов в физиологическом растворе // Коррозия: материалы, защита. №11, 2009. С. 6-10.
4. Тарасова Т.В., Белашова И.С., Кузьмин С.Д., Казаков A.B. Лазерная термообработка коррозионностойкой стали 12Х18Н ЮТ //Материалы XIX международного симпозиума «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» имени А.Г. Горшкова. 2013. С. 38-42.
5. Родионов И.В. Металлооксидные имплантационные системы в современной медицинской технике //Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2013. Т. 10. №. 1.С. 98-104.
6. Родионов И.В. Применение технологии воздушно-термического оксидирования для получения оксидных биосовместимых покрытий на чрескостных остеофиксаторах из нержавеющей стали//Перспективные материалы. 2012. №. 4. С. 36.
7. Ким В.А., Башков О.В., Сатаева И.В. Локальное лазерное легирование нержавеющей стали 12Х18Н10Т //Ученые записки Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета. 2016. Т. 1. №. 2. С. 64-70.
8. Цай К.В., Максимкин О.П., Гусев М.Н. [и др.]. Особенности формирования микроструктуры при пластической деформации в облученной нейтронами нержавеющей стали 12X18HIОТ//Научно-технический журнал «Вестник НЯЦPK». 2009. вып. 4. С. 77-85.
9. Попов В.О, Сайфулин Д.Э., Шмелева И.Ю. Возможности лазерного упрочнения инструмента // РИТМ. 2011. № 9. С 25-26.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
СВЕДЕНИЯ
OB ABTOPAX Vitaly 1. Proskuryakov -
Postgraduate Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Проскуряков Виталий Игоревич -
аспирант Саратовского государственного
технического университета
имени Гагарина Ю. А.
Моб. тел. 8962-617-0770
Дуланов Никита Алексеевич -
бакалавр 6МЕТЛ-41 Саратовского
государственного технического университета
Nikita A. Du la n ov) —
Bachelor Student Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
имени Гагарина Ю.А.Моб. тел. 89003128732 Бородина Софья Александровна -
студент (бакалавр) 64СТЗС-21 Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю. А.
Sofya A. Borodina -
Bachelor Student Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Моб. тел. 8960-353-8086
Статья поступила в редакцию 20.02.20. принята к опубликованию 15.03.20
