CC BY
83
УПРОЧНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ ХРОМОНИКЕЛЕВОЙ СТАЛИ 12Х18Н10Т ЛАЗЕРНЫМ ЛЕГИРОВАНИЕМ В УГЛЕРОДОСОДЕРЖАЩЕЙ СРЕДЕ ПОРОШКОМ ДИОКСИДА ТИТАНА Проскуряков Виталий Игоревич, ассистент Саратовский государственный технический университет
имени Гагарина Ю.А.
В статье приведены результаты исследования процесса лазерного упрочнения нержавеющей хромоникелевой стали 12Х18Н10Т. Установлено, что лазерное легирование приводит к формированию равномерно распределенного микрорельефа поверхностного слоя и повышению его микротвердости. Проведен сравнительный анализ зависимости предварительной подготовки поверхности на величину микротвердости, полученную в результате лазерной обработки.
Введение
В настоящее время на мировом и российском рынках наибольшую популярность находят хромоникелевые стали, содержащие в среднем 18 % хрома и 10 % никеля. Такие стали благодаря своим физико-механическим характеристикам, 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, известно, что детали из данной марки стали, работающие в условиях контактного трения в среде, содержащей ионы хлора, а также серную или соляную кислоты, подвергаются коррозии и теряют износостойкость. Для увеличения ресурса работы металлических изделий, изготовленных из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, зачастую достаточно их поверхностного упрочнения, за счет модифицирования поверхностного слоя [6].
Известно, что лагерное легирование металлов и сплавов является прогрессивным и эффективным методом формирования различных функциональных покрытий, повышающих эксплуатационные свойства металлических изделий. При определенных технологических условиях 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 методом лазерного легирования является способ обработки заранее подготовленной поверхности импульсным воздействием лазерного излучения. Подготовка поверхности металла предусматривает нанесение на неё обмазки определенного химического состава. Следует отметить, что такой метод требует создания предварительной шероховатости поверхности для обеспечения высокой адгезии об-
мазки. Преимуществами такой технологии являются возможность варьирования полученными свойствами поверхности, локальность, относительная простота реализации процесса [7,8].
Для лазерного легирования хромоникелевой стали 12Х18Н10Т и повышения её механических характеристик имеются рекомендации по применению различных химических элементов и соединений в качестве обмазок. Однако промышленно изготавливаемых обмазок нет. Известно, что графитовая легирующая обмазка самая распространенная. Также необходимо учесть, что для уменьшения склонности к межкристаллитной коррозии в состав стали вводят титан и ниобий [9,10].
Целью работы являлось повышение микротвердости стали 12Х18Н10Т и определение её зависимости от предварительной подготовки поверхности образцов и режимов лазерного импульсного воздействия.
Методика эксперимента Исследования проводили на образцах нержавеющей хромоникелевой стали 12Х18Н10Т в виде пластин размерами 10х10х3 mm. Часть образцов подвергалась предварительной абразивноструйной обработке (АСО) частицами порошка электрокорунда дисперсностью 200-250 цт, 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 min.
В качестве обмазки использовались графитовая паста (ГОСТ 8295-73) и порошок диоксида титана (анатаза) дисперсностью менее 25 цт, которые смешивались до образования однородной массы. Подготовленная паста наносилась на поверхность образцов равномерно распределённым слоем толщиной 200-300 цт. Модифицирование поверхностного слоя проводили на автоматизированной установке для термофизической когерентной модификации поверхности LRS-50A, при напряжении импульса U 300, 350, 400 V и длительностью т импульсного воздействия 0.75 и 1 ms. Луч фокусировался в пятно диаметром 1 mm. Сканирование поверхности осуществлялось при частоте следования импульсов излучения 10 Hz и коэффициенте перекрытия 0.25.
Микротвердость измерялась с использованием твердомера ПМТ-3М с индентором Виккерса при нагрузке на индентор 1.961 N (ISO 6507-1:2005). Статистическую обработку результатов исследования проводили с использованием программы DataFit 9.
Результаты исследования и их обсуждение Результаты исследований показали, что микротвердость поверхности образцов нержавеющей хромоникелевой стали 12Х18Н10Т увеличивается после процесса лазерной обработки с 2±0,1 ГПа до 5,4±0,1 ГПа (таблица 1).
Таблица 1 - Результаты измерения микротвердости поверхности стали 12Х18Н10Т, предварительно прошедшей абразивноструйную обработку и _шлифование, после процесса лазерного легирования_
АСО Ш
т, шэ и, V Н, СРа т, шэ и, V Н, СРа
0.75 300 3.25 0.75 300 4.43
350 4.35 350 3.86
400 4.40 400 3.21
1 300 3.17 1 300 4.77
350 5.4 350 3.55
400 4.74 400 2.90
По полученным результатам измерения были построены эмпирические модели зависимости микротвердости модифицированного поверхностного слоя от напряжения импульса и длительности импульсного воздействия.
Была построена эмпирическая модель зависимости микротвердости нержавеющей стали, предварительно подвергнутой абразивноструйной обработке (рисунок 1).
и(¥)
Рисунок 1. Зависимость микротвердости поверхности стали 12Х18Н10Т, предварительно подвергнутой абразивноструйной обработке, от режимов
лазерного импульсного воздействия
На данной модели можно заметить, что максимальное значение твердость принимает при напряжении импульса 340-360 V и длительности импульсного воздействия 0,85-0,95 шб, а минимальное значение - при длительности 0,75 и напряжении 300 V.
Построенная эмпирическая модель описывается регрессионным уравнением:
И=(-46.6216)+(-1.309)/х1+0.2*Х2+(-3.94) *Х22,
где: х1 - напряжение (и, V); х2 - длительность импульсного воздействия (1, шб).
Была построена модель для образцов нержавеющей хромоникелевой стали, поверхность которых предварительно подвергалась шлифованию (рисунок 2).
Рисунок 2. Зависимость твердости поверхности стали 12Х18Н10Т, предварительно подвергнутой шлифованию, от режимов лазерной обработки
На данной модели можно увидеть, что свое максимальное значение твердость принимает при напряжении 310 V и длительности 0.75-1 шб, а минимальное значение - при напряжении 400 V и длительности от 0.75-1 шб.
Построенная эмпирическая модель описывается регрессионным уравнением:
Н=(-0,6583)+(-0,373)*х1+1437,5/х2+71399,9/х22, где: х1 - напряжение (И, V); х2 - длительность импульсного воздействия (1, шб).
В ходе экспериментов было выявлено влияние предварительной обработки поверхности стали и последующего лазерного модифицирования на величину полученной микротвердости. Установлено, что в результате предварительной абразивноструйной обработки и последующего лазерного легирования нержавеющей стали порошком диоксида титана в углеро-досодержащей среде происходит формирование высокотвердого поверхностного слоя твердостью до 5,4±0,1 ОРа, характеризуемого равномерно распределенным микрорельефом.
Список литературы
1. Родионов И.В., Ромахин А.Н. Изменение микротвердости нержавеющей хромоникелевой стали 12Х18Н9Т при упрочняющей термической обработке на воздухе и в среде перегретого водяного пара / Материалы II Междунар. научн.-практ. конф. «Перспек-
и (V)
4.8
4.6
. . /—ч
4.4 я
3Л и
тивное развитие науки, техники и технологий». В 2-х томах. Курск: Юго-Зап. гос. ун-т. Том 2. С. 88-91.
2. Родионов И.В. Металлооксидные имплантационные системы в современной медицинской технике // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. Т.10, №1, 2013. С. 98-104.
3. Родионов И.В., Ромахин А.Н. Термическое оксидирование как технология упрочняющей обработки поверхности стали 12Х18Н9Т // Наукоемкие технологии в машиностроении. №6 (24), 2013. С. 37-43.
4. Родионов И.В., Фомин А.А., Ромахин А.Н. Применение процессов термического оксидирования для упрочнения поверхности стали 12Х18Н9Т // Технология металлов. №10, 2013. С. 24-32.
5. Ромахин А.Н., Родионов И.В., Фомин А.А., Пошивалова Е.Ю. Металлокерамиче-ские оксидные покрытия в производстве шнековых осадительных центрифуг из нержавеющих хромоникелевых сталей / Сб. трудов II Междунар. научн.-практич. конф. «Инжиниринг Техно». Саратов: Издательский дом «Райт-Экспо», 2014. Т. 2. С. 49-57.
6. Бердникова Г. Г., Вервекина Н. В. Коррозионные потенциалы нержавеющей стали Х18Н10Т в нейтральных хлоридных растворах в присутствии неорганических окислителей //Вестник Тамбовского университета. Серия: Естественные и технические науки. - 2013. - Т. 18. - №. 1. - С. 381-384.
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. Григорьянц А. Г., Шиганов И. Н., Мисюров А. И. Технологические процессы лазерной обработки. - М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2006. - 664 с.
9. Бураков В. А., Бровер Г. И., Буракова Н. М. Повышение теплостойкости быстрорежущих сталей лазерным легированием // Металловедение и терм. обработка мет. -1985. - №11. - С. 2-6.
10. Тарасова Т. В. и др. Лазерная термообработка коррозионностойкой стали 12Х18Н10Т // Материалы XIX международного симпозиума «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» имени А.Г. Горшкова. -2013. - С. 38-42.
Vitaly I. Proskuryakov, assistant Saratov state technical University Yuri Gagarin
HARDENING OF THE SURFACE OF STAINLESS CHROMIUM-NICKEL STEEL 12X18H10T LASER ALLOYING IN A CARBONACEOUS ENVIRONMENT WITH TITANIUM DIOXIDE POWDER
The article presents the results of the study of laser hardening of stainless chromium-Nickel steel 12X18H10T. It is found that laser doping leads to the formation of a uniformly distributed microrelief of the surface layer and increase its microhardness. A comparative analysis of the dependence of the preliminary surface preparation on the value of microhardness obtained as a result of laser treatment is carried out.
