CC BY
33
05.20.03 УДК 62-242.3
DOI: 10.24412/2227-9407-2021-4-51-61
Упрочнение среднеуглеродистых сталей за счет микролегирования поверхностей
Введение. В данной статье сделана попытка на основании литературных данных, а также по результатам проведенных исследований проанализировать состояние вопроса по лазерному легированию, определить области его применения и перспективы дальнейших исследований.
Материалы и методы. Подробно описаны необходимые материалы, лабораторное оборудование, испытуемые образцы, измерительное оборудование, применяемое в представленных исследованиях. Микроструктура металла образцов в исходном состоянии представляет перлитоферритную структуру, где феррит в виде сетки располагается по границам перлитных колоний.
Результаты. Представленная работа направлена на формирование основополагающих моментов технологий лазерного упрочнения сталей за счет микролегирования поверхности. Для достижения высокой износостойкости поверхностных слоев деталей необходимо применять поверхностное легирование за счет обработки детали лазерным лучом, покрытой слоем специальной краски (поглощающего покрытия). Построены графические зависимости изменения микротвердости поверхностных слоев материала от скорости обработки стали. Для получения износостойких поверхностных слоев на поверхности деталей, изготовления из нее закаливающихся сталей (сплавов) необходимо применять поверхностное легирование за счет обработки детали лазерным лучом, покрытой слоем специальной краски (поглощающего покрытия).
Обсуждение. Наиболее широкое распространение в лазерном поверхностном упрочнении получили два процесса: термическая обработка и легирование. Благодаря лазерному микролегированию поверхностных слоев химическими элементами и соединениями добиваются эффекта упрочнения различных материалов. Карбидные, оксидные, боридные фазы составляющих поглощающие покрытия обладают наиболее высокой износостойкостью. Существуют несколько способов получения данных покрытий с применением энергии лазера. Способ первый заключается в том, чтобы подача карбидных, боридных, оксидных и других частиц осуществлялась введением их в зону легирования. Способ второй. Получение упрочняющих фаз непосредственно в процессе лазерного легирования.
Заключение. Получены результаты исследования влияния скорости обработки на микротвердость зоны лазерного воздействия стали 40Х, установлено, что наиболее перспективными для лазерного легирования (упрочнения) является процесс осуществления на лазерах непрерывного действия.
Ключевые слова: зона лазерного воздействия, износостойкость, лазерное термоупрочнение, лазерная закалка, лазерное микролегирование, микроструктура поверхностных слоев, микротвердость зоны лазерного воздействия, поверхность трения, поглощающее покрытие, сталь, среднеуглеродистые стали, упрочненная поверхность, физико-механические свойства.
Для цитирования: Казаков С. С., Федосеев А. В., Матвеев Ю. И. Упрочнение среднеуглеродистых сталей за счет микролегирования поверхностей // Вестник НГИЭИ. 2021. № 4 (119). С. 51-61. DOI: 10.24412/2227-94072021-4-51-61
1, 2
Аннотация
© Казаков С. С., Федосеев А. В., Матвеев Ю. И., 2021
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License. The content is available under Creative Commons Attribution 4.0 License.
Strengthening of medium-carbon steels due to micro-alloying of surfaces
S. S. Kazakov1*, A. V. Fedoseev2, Y. I. Matveev3
1 2 Nizhny Novgorod State University of Engineering and Economics, Knyaginino, Russia
* [email protected] 3 Volga state University of water transport, Nizhny Novgorod, Russia
Abstract
Introduction. This article attempts to analyze the state of the issue of laser doping on the basis of the literature data, as well as the results of the conducted research, to determine the areas of its application and prospects for further research.
Materials and methods. The necessary materials, laboratory equipment, test samples, and measuring equipment used in the presented studies are described in detail. The microstructure of the metal of the samples in the initial state is a perlitoferrite structure, where the ferrite in the form of a grid is located along the boundaries of the perlite colonies.
Results. The presented work is aimed at forming the fundamental points of technologies for laser hardening of steels due to micro-alloying of the surface. To achieve high wear resistance of the surface layers of the parts, it is necessary to apply surface alloying by processing the part with a laser beam, covered with a layer of special paint (absorbing coating). Graphical dependences of changes in the microhardness of the surface layers of the material on the speed of steel processing are constructed. To obtain wear-resistant surface layers on the surface of the parts, to make quenching steels (alloys) from it, it is necessary to apply surface alloying by processing the part with a laser beam, covered with a layer of special paint (absorbing coating).
Discussion. Тwo processes are most widely used in laser surface hardening: heat treatment and alloying. Thanks to laser micro-alloying of surface layers with chemical elements and compounds, the effect of hardening of various materials is achieved. The carbide, oxide, and boride phases of the absorbing coatings have the highest wear resistance. There are several ways to obtain these coatings using laser energy. The first method is that the supply of carbide, boride, oxide and other particles is carried out in the zone by introducing boride, carbide, nitride and oxide particles into the doping zone. The second way. Preparation of strengthening phases directly in the process of laser alloying. Conclusion. The results of the study of the effect of the processing speed on the microhardness of the laser impact zone of 40X steel are obtained, it is established that the most promising for laser alloying (hardening) is the process of implementation on continuous-action lasers.
Keywords: laser impact zone, wear resistance, laser thermal hardening, laser quenching, laser micro-alloying, microstructure of surface layers, microhardness of the laser impact zone, friction surface, absorbing coating, steel, mediumcarbon steels, hardened surface, physical and mechanical properties.
For citation: Kazakov S. S., Fedoseev A. V., Matveev Y. I. Strengthening of medium-carbon steels due to micro-alloying of surface // Bulletin NGIEI. 2021. № 4 (119). P. 51-61. DOI: 10.24412/2227-9407-2021-4-51-61
Введение
Наиболее широкое распространение в лазерном поверхностном упрочнении получили два процесса: термическая обработка и легирование. Лазерную термическую обработку (ЛТО) проводят как без оплавления, так и с оплавлением поверхности. Последняя, по существу, включает и процесс лазерного легирования (ЛЛ), так как состоит из аналогичных операций, включающих процесс нанесения поглощающего покрытия (для снижения отражательной способности поверхности), локальный нагрев и последующую механическую обработку. В настоящее время для повышения прочностных свойств различных материалов (сталей, чугунов, сплавов и многих других) применяется легирование
их поверхностей различными химическими элементами и соединениями с применением лазеров. ЛЛ дает широкие возможности по применению различных химических элементов и соединений благодаря несложному процессу их введения в зону лазерного микролегирования. Применение большого количества веществ наводит на некоторое сомнение в рациональности их использования. Исследования и результаты химико-термической обработки металлов обуславливают возможности применения ЛЛ для повышения износостойкости. Карбидные, оксидные, боридные фазы, составляющие поглощающие покрытия, обладают наиболее высокой износостойкостью. Следовательно, данные поглощающие покрытия необходимо применять для упрочнения ра-
бочих поверхностей деталей при ЛЛ. Существует несколько способов получения данных покрытий с применением энергии лазера.
Способ первый заключается в том, чтобы подача карбидных, боридных, оксидных и других частиц осуществлялась введением их в зону легирования. Особенностью метода является необходимость учета возможности образования различных химических соединений в процессе взаимодействия данных частиц с основой металла, а также учета таких параметров, как смачиваемость, растворимость, отличие удельных объемов и коэффициентов линейного расширения.
Способ второй. Процесс ЛЛ сопровождается образованием упрочняющих фаз, это может быть достигнуто тремя вариантами:
a) подача в зону легирования такого фазного элемента, который уже имеется в слое металла;
b) введение элементов в составе смеси;
^ внедрение фазных элементов последовательно.
При этом следует учесть склонность к возникновению и распространению сложных химических соединений, а также воздействию на зону обработки тепловой энергии от самого факела. ЛЛ -это неравновесный процесс ввиду его протекания при сверхвысоких скоростях нагревания и охлаждения. При этом в зоне лазерного влияния возникают отклонения от равновесных фазовых состояний с образованием метастабильных и новых фаз. В научных работах [13; 15; 24] представлены диаграммы состояния метастабильных фаз в процессе сверхвысокой кристаллизации и охлаждения. Для осуществления процесса лазерного легирования легирующие элементы подаются в ЗЛВ до основной обработки. Легирующие элементы и вещества, применяемые в настоящее время, могут подаваться различными способами. Одним из самых технологичных считается нанесение порошковых смесей. При этом он имеет существенный недостаток, это большие затраты энергии для осуществления его плавления ввиду его низкой теплопроводности и наличие склонности к созданию препятствий для формирования слоя с заданными свойствами. Так же могут применяться другие методы подачи, такие как подача под силой тяжести [14], подача напылением [13], подача в струе газа [12; 16].
Материалы и методы
Для проведения исследования были выбраны образцы из сталей 45, имеющие толщину 5, 10 и 20 мм после лазерной обработки с различными скоростями.
Образцы из стали 40Х диаметром 20 мм обрабатывались на твердотельном лазере ЛТН-103 и газовом СО2-лазерном комплексе Комета-2. Мощность лазерного излучения составляла Р = 250 Вт. Диапазон скоростей перемещения образцов лежал в интервале 0,5...12 мм/с. В качестве поглощающего покрытия использовали желтую гуашь (цинковую), которую наносили на образцы пульверизатором слоем толщиной 3 = 100.200 мкм. В желтую гуашь для увеличения твердости приповерхностного слоя 20.30 % (по массе) порошка карбида бора и ВК-12.
Исследована микроструктура основного металла и зоны лазерной обработки. Выполнены замеры микротвердости с построением распределения значений по глубине зоны лазерного воздействия. Применяя микроскопы МИМ-8, NEOPHOT-32, были проведены металлографические исследования. Микротвердость замеряли на приборе ПМТ-3 при нагрузке 50 г через 20, 50, 100 и 200 мкм по высоте зоны лазерного воздействия (ЗЛВ), вдоль поверхностной зоны и вдоль границы контакта с основой.
Результаты и обсуждение
Проведя аналитический обзор работ [6; 7; 8; 9; 10; 11; 15; 22; 23], появилась возможность установить некоторые зависимости влияния режимов микролегирования поверхностей на их физико-химические свойства. В процессе микролегирования различимы две зоны: зона легирования и зона термического влияния (ЗТВ). Именно в первую зону, находящуюся в виде расплава, подается легирующее вещество. При этом происходит нагрев второй зоны без ее оплавления. Область ЗТВ наблюдается по периметру зоны легирования. Установлено, что наибольшую твердость ЗТВ будет иметь только после превращения мартенсита в процессе ЛЛ. Однако, по данным исследований [1; 2; 3; 4; 5], при легировании определенной площади поверхности образцов происходит отпуск ЗТВ до твердости исходного материала, т. е. под легированным слоем располагается практически неупрочненная основа.
Определено, что наибольшее влияние на процесс и на качество обработанной поверхности оказывает скорость перемещения луча лазера или образца, мощность лазерного излучения. А также установлено влияние толщины наносимой обмазки (покрытия) на формирование упрочненных слоев после ЛЛ. Стоит отметить, что мощность (Р, Вт) и плотность мощности (Вт/см2) лазерного излучения достаточно сложны в определении и сравнении. Практически ни в одной работе не приводится методика расчета этого параметра, для которого необходимо знать диаметр сфокусированного лазерного луча на обрабатываемой поверхности и мощность
падающего на эту поверхность излучения. Диаметр сфокусированного луча dcn можно найти расчетным путем или экспериментальным способом. Для точного определения расчетным методом следует учесть погрешности фокусирующей линзы. Кроме того, необходимо знать диаметр несфокусированного лазерного луча, для измерения которого еще нет общепринятой методики. Определить dcn экспериментального проще (например, по ширине зоны расплава). Однако подробная методика для этого еще не разработана. Такая же неопределенность может возникнуть и при определении мощности лазерного излучения, хотя в работах чаще всего приводят мощность, замеренную на выходе РСИ [17], однако этот вопрос в работе почти никогда не оговаривается. В качестве показателя лазерного излучения можно использовать степень дефокусировки, хотя и для его воспроизводимости [1] необходимо знать диаметр несфокусированного луча лазера, мощность лазерного излучения, прошедшего через фокусирующую линзу, и фокусное расстояние линзы. Наиболее корректным следует признать показатель лазерного излучения Ки (Дж/мм2) [1], учитывающий одновременное влияние скорости перемещения образца и плотности мощности лазерного излучения:
Р
где P - мощность лазерного излучения, Вт; dcn -диаметр сфокусированного луча лазера на обрабатываемой поверхности, мм2; V - скорость перемещения обрабатываемой поверхности, мм/с.
При разработке достаточно корректных методик определения мощности лазерного излучения и диаметра сфокусированного луча лазера, этот показатель может быть наиболее приемлемой характеристикой процесса ЛЛ. Количество элементов микролегирования, относящихся к единице объема оплавленного металла, оказывает сильное влияние на структуры зоны легирования. Содержание легирующих элементов в зоне ЛЛ имеет тенденцию к росту с ростом скорости перемещения луча лазера или образца и уменьшению мощности излучения. Рост содержания легирующих элементов в зоне ЛЛ происходит при росте слоя поглощающего покрытия до некоторого граничного предела.
Работа [1] наглядно подтверждает установленные взаимосвязи формирования зон микролегирования. Происходит изменение зоны ЛЛ с повышением концентрации графита в зоне оплавления при проведении цементации стали. В поверхностных слоях наблюдается структура белого чугуна, полученного из жидкой фазы. На основе анализа
проделанной работы установлено качественное содержание структурных составляющих упрочненного слоя. В него входят мартенсит, остаточный аустенит. После лазерного борирования упрочненная зона состоит из феррита и боридов Fe2B и FeB. С увеличением количества бора в легированной зоне содержание феррита уменьшается, а боридов -увеличивается. Особенностью этой зоны является то, что металлографически эти фазы неразличимы, а также отсутствие характерной для диффузионных боридных слоев игольчатости. Легированная зона имеет зернистую структуру с размерами зерна № 11...13. Представляло интерес увеличить концентрацию легирующего вещества в зоне легирования с целью получения новых фаз или фаз на его основе. Такую возможность подтвердили эксперименты, выполненные в работе [1]. Из паст на основе графита, после лазерной цементации, были получены зоны, состоящие из цементита и включения структурно-свободного графита. После лазерного борирования фазы состояли из борида железа (FeB) и фазы на основе бора, микротвердость которой составляла HV = 2500.3000. Результаты микрорент-геноспектрального, металлографического, рентге-ноструктурного анализа показали, что основа этой фазы - одна из модификаций бора. Получение легированных зон, содержащих структурно-свободный графит, выполняющий роль твердой смазки, а также высокотвердых соединений на основе бора и других металлов, должно способствовать увеличению износостойкости рабочих слоев. Формирующиеся фазы, имеющие особенное строение, обуславливают некоторые особенности структурных преобразований в зонах ЛЛ. Заданные свойства полученных поверхностей возможно получить благодаря отводу теплоты от расплава в определенном направлении в процессе кристаллизации. После лазерной цементации отчетливо наблюдается текстура цементитных пластин, которые расположены перпендикулярно направлению теплоотвода. Текстура лазерных бо-ридных зон резко отличается от текстуры боридных покрытий, полученных при твердофазной диффузии. В работе [1] приведены данные о влиянии масштабного фактора на процесс лазерного легирования. Вследствие воздействия лазерного луча на поверхности образцов происходит их нагрев с одновременным образованием дорожек, имеющих разную толщину, и, как следствие, образование слоев с различными характеристиками. На основе данных этой работы при насыщении поверхности расплава бором толщина лазерных дорожек лежала в интервале 90.140 мкм. Масштабный фактор, характеризующий соотношение массы, формы образца, ре-
жима и площади обработки, определяет степень влияния температуры поверхности на процесс ЛЛ. Это доказывает необходимость в оптимизации режимов ЛЛ для получения требуемого свойства поверхности конкретной марки стали. В основном исследователи занимались изучением распределения микротвердости слоев металла после ЛЛ. Такие же параметры, как износостойкость на различных режимах, хрупкость металла, не достаточно изучены. Сопротивление изнашиванию лазерных боридных слоев в среднем на порядок выше, чем у лазерных цементованных слоев. Хрупкость лазерных борид-ных слоев при всех режимах обработки ниже хрупкости диффузионных боридных слоев. Таким образом, лазерное борирование следует использовать для деталей, подвергаемых изнашиванию, с большими удельными нагрузками и ударами. Влияние обработки на шероховатость поверхности детали будет дополнительно изучено в последующих экспериментах. Для легирования поверхности детали могут применяться лазеры импульсного и непрерывного действия, однако для промышленного применения наиболее перспективны лазерные установки непрерывного действия, которые обладают более высокой производительностью [18; 19; 20; 21; 24]. Эти отличия обуславливают особенности образования структуры и свойств легированных зон, полученных на лазерах непрерывного действия. Факторами, сдерживающими широкое распространение лазерной обработки в промышленности, являются высокая стоимость и дефицитность лазерной техники, которая предъявляет высокие требования к квалификации операторов, наличию или созданию специализированной оснастки и выходного контроля процесса лазерной обработки. Благодаря лазерному микролегированию поверхностных слоев химическими элементами и соединениями добиваются эффекта упрочнения различных материалов. Карбидные, оксидные, боридные фазы, составляющие поглощающие покрытия, обладают наиболее высокой износостойкостью. Однако при выборе режима ЛЛ необходимо учитывать такие факторы, как состояние обрабатываемой поверхности, микроструктуру металла, его состав, а также температурный фактор. Наиболее перспективными для этой цели являются лазеры непрерывного действия.
Повышение микротвердости ЗЛВ сталей, даже при незначительном наполнении легирующими элементами, наблюдается у сталей среднеуглероди-
стых. При обработке стали 40Х зона лазерного оплавления имеет микротвердость значительно выше (до 11 500 МПа), чем у стали 45 (8 500 МПа). Это свидетельствует о целесообразности введения легирующих элементов как в основу стали, так и через поверхностный слой обрабатываемого образца.
Основной целью лазерного термоупрочнения сталей является повышение износостойкости поверхности деталей, работающих в условиях трения. Однако получение особых структур при лазерной обработке поверхностей деталей позволяет сформировать (какие-то там) слои, которые можно получать, только используя концентрированные источники энергии.
Анализ распределения твердости по глубине ЗЛВ, для стали 40Х, обработанной на установке Комета-2, представленный в виде табл. 1, показывает, что максимальная твердость при Р = 200 Вт достигается при скорости обработки V = 9 мм/с и глубине ЗЛВ Н = 0,22 мм. При мощности лазерного излучения Р = 300 Вт достигается максимальная величина твердости поверхности ЗЛВ Н¡л100 = 897 при hзлВ = 0,72 мм и скорости перемещения луча или образца V = 3 мм/с. При увеличении мощности лазерного луча до Р = 400 Вт глубина зоны лазерного воздействия возрастает до НЗЛВ = 0,79 мм при
V = 3 мм/с и Н¡100 = 860. При дальнейшем увеличении мощности до Р = 700 Вт и скорости обработки
V = 3 мм/с глубина ЗЛВ принимает максимальное значение НЗЛВ = 1,2 мм. При мощности лазерного излучения Р = 800 Вт и скорости движения образца от 6 до 12 мм/с значение твердости Нл изменяется в пределах 519.764, а глубина ЗЛВ колеблется в пределах 0,9.1,12 мм.
В [2] отмечается, что износостойкость стали 45 после лазерного термоупрочнения увеличилась примерно в 80 раз по сравнению с необработанной сталью и более чем в 2.4 по сравнению со сталью, закаленной обычным способом.
На основании работы [1] доказано, что лазерная обработка образцов, изготовленных из стали 40Х, в значительной степени повышает износостойкость в сравнении с типовой закалкой и отпуском. При лазерной обработке непрерывным СО2-лазером образцов из сталей 45-40Х без оплавления поверхности усталостная прочность сталей повышается. После лазерной закалки сталей 45-40Х с оплавлением поверхности усталостная прочность снижается.
Таблица 1. Распределение твердости по глубине ЗЛВ для стали 40Х, обработанной на установке Комета-2 Table 1. Distribution of hardness over the depth of the HLV for 40X steel treated at Comet-2
Сталь 40Х, dn = 2 мм = const, обработка на «Комете-2» / Steel 40X, dn = 2 mm = const, processing on «Comet-2»
№ № обр.-No. mod. № дор./ - No. dor. P, Вт / P, W Уобр., мм/с / Vobr., mm/s Hmax(100) (пов.), Мпа / Hmax( 100)(repeat), MPa Ьзвл, (мм) / hsvb(mm)
1 22 - 8 220 3 635 0,72
2 22 - 7 200 6 593 0,42
3 22 - 6 200 9 764 0,22
4 22 - 5 200 12 593 0,37
5 24 - 5 200 6 707 0,52
6 24 - 4 200 12 734 0,42
7 22 - 1 300 3 897 0,72
8 22 - 2 300 6 635 0,57
9 22 - 3 300 9 635 0,67
10 22 - 4 300 12 691 0,52
11 23 - 8 400 3 860 0,97
12 23 - 7 400 6 794 0,87
13 23 - 6 400 9 764 0,52
14 23 - 5 400 12 593 0,77
15 24 - 6 400 6 734 0,82
16 24 - 3 400 12 794 0,72
17 24 - 7 600 6 764 1,02
18 24 - 2 600 12 489 0,82
19 23 - 1 700 3 764 1,2
20 23 - 2 700 6 764 1,12
21 23 - 3 700 9 537 0,82
22 23 - 4 700 12 504 0,77
23 24 - 8 800 6 764 1,12
24 24 - 1 800 12 519 0,92
Источник: составлено авторами на основании статистических данных, полученных при проведении исследований
К основным параметрам лазерного облучения СО2-лазером можно отнести прежде всего мощность луча лазера Р и диаметр пятна dп от лазерного луча, которые определяют плотность мощности. Определителем длительности воздействия лазерного луча на поверхность является скорость перемещения детали или самого луча V. Получаем, что для формирования на поверхности детали зоны лазерного воздействия, обладающей повышенной износостойкостью, необходимо экспериментально определить значения Р, dп, V, которые обеспечивают достижение определенной твердости и глубины ЗЛВ.
Поскольку на формирование поверхностной ЗЛВ стальной детали оказывает влияние химсостав стали, форма и размер детали, для подбора оптимальных параметров (Р, dп и V) лазерной обработки
детали требуется выполнить определенный объем исследовательских работ.
При подборе параметров режима лазерной обработки конкретной детали в каждом отдельном случае требуется проведение исследовательской работы, объем которой может быть сокращен за счет применения ранее полученных эмпирических закономерностей и математических моделей распространения тепла.
Однако в литературе сравнительно мало данных о влиянии добавок таких сильно упрочняющих карбидов, как карбид бора и карбид вольфрама, в поглощающее покрытие (желтая гуашь), которое широко применяется при лазерной обработке стальных деталей [2].
Результаты исследования предоставлены на рис. 1.
Сталь 40Х; Гуашь желтая+ВК12(\Л/С); Р=250 Вт / 5 Steel 40Х; Gouache yellow+VK12 (WC); P=250 W
CD -i 900 ro -c goo о и -- 700 600 X .0 500 I- u О 400 c[ a. & 300 CD H Q. 200 a: 5 100 —V=12 мм/с / V=12 mrn/s —V=4 мм/с / V=4 mm/s —V=2 мм/с / V=2 mm/s V=1 мм/с / V=1 mm/s
\
\
—V=0,5 мм/с / V=0,5 mm/s
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0 поверхность 1, мм / the surface is /, mrr
а / a
Рис. 1. Изменение микротвердости HV по глубине зоны лазерной обработки l при различных вариантах покрытий: а) гуашь желтая + ВК12; б) гуашь желтая + В4С Fig. 1. Change in the microhardness HV in the depth of the laser treatment zone l at different coating variations: a) yellow gouache + ВК12; b) yellow gouache + B4C Источник: составлено авторами на основании статистических данных, полученных при проведении исследований
Анализ зависимостей изменения микротвердости от глубины слоя показывает, что при уменьшении скорости обработки глубина зоны лазерного воздействия как в случае желтой гуаши, так и для добавок карбида бора и ВК-12 (карбида вольфрама) возрастает.
При обработке с высокой скоростью V = 12 мм/с микротвердость имеет повышенное значение (1300.650 МПа) только на небольшой глубине l = 0,1 мм (рис. 1). При обработке с малой скоростью V = 0,5 мм/с твердость поверхности не зависит от присутствия различных добавок (ВС, WC) в поглощающем покрытии, при этом ЗЛВ имеет максимальную глубину l = 0,3.0,4 мм. Следует отметить, что при обработке с V = 0,5 м/с твердость приповерхностного слоя составляет 500.550 МПа и сохраняется на глубине до l = 0,4 мм при введении в покрытие добавок карбида вольфрама.
При обработке стали 40Х со скоростью 4 мм/с максимальная твердость (НУ = 1 200 МПа) достигается в случае введения в желтую гуашь карбида бора. Снижение скорости обработки с 4 до 2 мм/с приводит к увеличению твердости приповерхностного слоя НУ = 1 700 МПа в случае добавки в поглощающее покрытие порошка карбида вольфрама. Однако высокое значение твердости НУ = 1 000 Мпа в сочетании с большой глубинной l = 0,2 ЗЛВ получается лишь при обработке со скоростью V = 1 мм/с.
Заключение
Лазерное упрочнение (термообработка) поверхности стальных деталей позволяет получить положительные результаты в большинстве случаев при обработке сталей, имеющих в своем составе содержание углерода более 0,3 % и достаточное содержание легирующих элементов, позволяющих получить твердые фазы.
Для получения износостойких поверхностных слоев на поверхности деталей, изготовленных из незакаливающихся сталей (сплавов), необходимо применять поверхностное легирование за счет обработки детали лазерным лучом, покрытой слоем специальной краски (поглощающего покрытия). При этом наибольшей износостойкостью обладают слои, легированные боридными, карбидными, нитридными и оксидными фазами. Определено, что для конкретных стальных деталей выбирать режимы ЛЛ (упрочнения) необходимо с учетом многих факторов. К данным факторам прежде всего относятся материалы и их химический состав, требования к массе и форме, требования по физико-механическим свойствам, а также условиям эксплуатации. Наиболее перспективным для лазерного легирования (упрочнения) является процесс осуществления на лазерах непрерывного действия.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ляхович Л. С. Лазерное легирование // МиТОМ. 1987. № 3. С. 14-19.
2. Лахтин Ю. М., Коган Я. Д., Федин А. В. Поверхностное упрочнение стали излучением лазера // Поверхностные методы упрочнения металлов и сплавов в машиностроении. М., 1983. С. 65-67.
3. Сорокин В. М., Елхов В. В, Исакиев П. А. Легирование и упрочнение поверхностей деталей лазерной обработкой // Экономия металла и энергии на основе прогрессивных процессов термической и химико-термической обработки. М., 1984. С. 156.
4. Андрияхин В. М., Еднерал Н. В., МазорраХ. М., Скаков Ю. А. Лазерное легирование хромом стали У10 // Поверхность: Физика, химия, механика. 1982. № 10. С. 134-139.
5. Абильсиитов Г. А., Андрияхин В. М., Сафонов А. Н. Модифицирование поверхностей материалов с помощью лазерного излучения // Изв. АН СССР. Серия физическая. 1983. Т. 47. С. 1468-1472.
6. Бураков В. А., Федосиенко С. С. Металлографическое исследование углеродистых сталей, хромотита-нированных при лазерной закалке // Прогрессивная технология производства в тракторном и сельскохозяйственном машиностроении. Ростов-на-Дону. 1980. С. 147-151.
7. Коваленко В. С., Волгин В. И. Лазерное легирование конструкционных материалов // Технология и организация производства. 1976. № 7. С. 60-62.
S. Буракова Е. А., Бесперстова Г. С., Неверова М. А., Ткачев А. Г., Чапаксов Н. А., Рухов А. В. Влияние термообработки на свойства катализатора синтеза углеродных нанотрубок // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. 2020. Т. 82. № 1. С. 237-246. https://doi.org/10.20914/2310-1202-2020-1-237-246
9. Семилетова Е. Ф. Способ локального легирования металлов // XV научно-техническая конференция Грузинского политехнического института. Тбилиси. 1972. Вып. 11. С. 127-132.
10. Лахтин Ю. И., Коган Н. Л., Теплова Л. А. Лазерная химико-техническая обработка титана // Лазерная термическая и химико-термическая обработка. М., 1983. С. 10-14.
11. Чиркин Л. И. О возможности насыщения железа углеродом под действием светового импульса лазера // АН СССР. Серия: Техническая физика. 1969. Т. 166. № 2. С. 305-30S.
12. Троцкий И. В., Власов В. И., Кочетков П. В. Лазерное легирование металла тугоплавкими соединениями // Диффузионные процессы в металлах. Тула. 19S2. С. 149-152.
13. Molian P. A, Khan K. H., Wood W. E. Miccestrucheres of lazer procssed Fe-Cr surface alloys // Proc. 39th Annu. Meet. Ecactron Microisc. Los. Amer. Atconta. Boston. Ronge. 19S1. P. 32S-329.
14. Nilson V. Surface meliting of cost iconuth a hich power lazer baem // Rapidly Solietified Amorphus and Gryst. Alloys Proc. Mater Res. Cos. Annu. Meet. New York. 19S2. P. 517-521.
15. Горев Д. В. Метастабильные диаграммы состояния металлических сплавов при кристаллизации // Известия АН БССР. Серия: Физико-технические науки. 1983. № 4. С. 16-25.
16. Ayers Y. D., Yucher Y. R. Particalote. Tichardened steel surface by laser melt injection // Yhin Solid Films. 19S0. V. 73. P. 201-207.
17. Кульченко В. Ф., Федороди В. Ф. Материалы для лазерных оптических элементов // Технология автомобилестроения. 1980. № 5. С. 14-16.
1S. Сромин Ф. А. Лазерная термообработка // Электротехническая промышленность. Серия: Технология электротехнического производства. 1982. № 8. С. 3-6.
19. Хаюров С. С., Курбатова А. Б. Рентгеновское исследование лазерного легирования // Технология лёгких сплавов. 1978. № 9. С. 28-32.
20. Меркулов В. Н. Опыт применения лазерной обработки металлов на промышленных предприятиях // УКРНИИНТИ. Обзор. Киев. 1983. С. 66.
21. Коваленко В. С., Черненко В. С., Приходько Н. М. Лазерное упрочнение контактных поверхностей // Электронная обработка материалов. 1975. № 6. С. 77-79.
22. Абильсиитов Г. А., Голубев В. Г. Основные проблемы лазерной технологии и технологических лазеров // Научно-исследовательский Центр по технологическим лазерам АН СССР. Троицк. 19S0. С. 3S.
23. La Pocca A. V. Laser Application in Machining // Material Processing Europen Conference of optical, Sycienist and Applications. Brighton. 197S. P. 7.
24. Ходаковский В. М., Патенкова Е. П., Кулешов И. И. Исследования влияния режима лазерной обработки на глубину и структуру упрочненной зоны чугунных деталей судовых ДВС // Вестник Морского государственного университета. 2016. № 74. С. 28-36
Дата поступления статьи в редакцию 14.01.2021, принята к публикации 15.02.2021.
Информация об авторах: КАЗАКОВ СЕРГЕЙ СЕРГЕЕВИЧ,
кандидат технических наук, доцент кафедры «Технические и биологические системы»
Адрес: Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, 606340, Россия, Княгинино, ул. Октябрьская, 22а E-mail: [email protected] Spin-код: 2153-7476
ФЕДОСЕЕВ АЛЕКСАНДР ВЛАДИМИРОВИЧ,
ст. преподаватель кафедры «Технические и биологические системы»
Адрес: Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, 606340, Россия, Княгинино,
ул. Октябрьская, 22а
E-mail: [email protected]
Spin-код: 3892-3212
МАТВЕЕВ ЮРИЙ ИВАНОВИЧ,
доктор технических наук, профессор кафедры «Эксплуатации судовых энергетических установок» Адрес: Волжский государственный университет водного транспорта, 603951, Россия, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5 E-mail: [email protected] Spin-код: 9817-9340
Заявленный вклад авторов:
Казаков Сергей Сергеевич: общее руководство проектом, сбор и обработка материалов, написание окончательного варианта текста.
Федосеев Александр Владимирович: проведение экспериментов.
Матвеев Юрий Иванович: поиск аналитических материалов в отечественных и зарубежных источниках, обозначение методологической основы исследования.
Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.
REFERENCES
1. Lyakhovich L. S. Lazernoe legirovanie [Laser doping], MiTOM [MiTOM], 1987, No. 3, pp. 14-19.
2. Lahtin Yu. M., Kogan Ya. D., Fedin A. V. Poverhnostnoe uprochnenie stali izlucheniem lazera [Surface hardening of steel by laser radiation], Poverhnostnye metody uprochneniya metallov i splavov v mashinostroenii [Surface methods of hardening of metals and alloys in mechanical engineering]. Moscow, 1983, pp.65-67.
3. Sorokin V. M., Elhov V. V., Isakiev P. A. Legirovanie i uprochnenie poverxnostej detalej lazernoj obrabotkoj [Alloying and hardening of the surfaces of parts by laser treatment], Ekonomiya metalla i energiya na osnove progres-sivnyh processov termicheskoj i himiko-termicheskoj obrabotki: Tez. dokladov Vsesoyuznoj nauchnoj-tehnicheskoj konferencii [Saving of metal and energy on the basis ofprogressive processes of thermal and chemical-thermal treatment: Theses of reports of the All-Union Scientific and technical conference], Moscow, 1984, 156 p.
4. Andriyahin V. M., Edneral N. V., Mazorra X. M., Skakov Yu. A. Lazernoe legirovanie hromom stali U10 [Laser chromium alloying of U10 steel], Poverhnost\ Fizika, himiya, mehanika [Surface: Physics, Chemistry, Mechanics], 1982, No. 10, pp. 134-139.
5. Abifsiitov G. A., Andriyaxin V. M., Safonov A. N. Modificirovanie poverhnostej materialov s pomoshhyu lazernogo izlucheniya [Modification of the surfaces of materials using laser radiation], Izv. AN SSSR. Seriya fizi-cheskaya [Proceedings of the USSR Academy of Sciences. A series ofphysical], 1983, Vol. 47, pp. 1468-1472.
6. Burakov V. A., Fedosienko S. S. Metallograficheskoe issledovanie uglerodistyh stalej, hromotitanirovannyh pri lazernoj zakalke [Metallographic study of carbon steels, chromo-titanized during laser quenching], Progressivnaya tehnologiya proizvodstva v traktornom i seFskohozyajstvennom mashinostroenii [Progressive production technology in tractor and agricultural engineering], Rostov-na-Donu, 1980, pp. 147-151.
7. Kovalenko V. S., Volgin V. I. Lazernoe legirovanie konstrukcionnyh materialov [Laser alloying of structural materials], Tehnologiya i organizaciya proizvodstva [Technology and organization of production], 1976, No. 7, pp. 60-62.
8. Burakova E. A., Besperstova G. S., Neverova M. A., Tkachev A. G., Chapaksov N. A., Rukhov A. V. Vliyanie termoobrabotki na svojstva katalizatora sinteza uglerodnyh nanotrubok [The influence of heat treatment on the properties of the catalyst for the synthesis of carbon nanotubes], Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo univer-siteta inzhenernyh tekhnologij [Proceedings of the Voronezh State University of Engineering Technologies], 2020, Vol. 82, No. 1, pp. 237-246. (In Russ.) https://doi.org/10.20914/2310-1202-2020-1-237-246
9. Semiletova E. F. Sposob lokal'nogo legirovaniya metallov [Method of local alloying of metals], XV nauchno-tehnicheskaya konferenciya Gruzinskogo politehnicheskogo institute [XV Scientific and Technical Conference of the Georgian Polytechnic Institute], Tbilisi, 1972, No. 11, pp. 127-132.
10. Lahtin Yu. I., Kogan N. L., Teplova L. A. Lazernaya himiko-texnicheskaya obrabotka titana [Laser chemical and technical treatment of titanium], Lazernaya termicheskaya i himiko-termicheskaya obrabotka [Laser thermal and chemical heat treatment], Moscow, 1983, pp. 10-14.
11. Chirkin L. I. O vozmozhnosti nasyshheniya zheleza uglerodom pod dejstviem svetovogo impulsa lazera [On the possibility of saturation of iron with carbon under the action of a laser light pulse], ANSSSR. Seriya: Tehnich-eskaya fizika [Academy of Sciences of the USSR. Series: Technical Physics], 1969, Vol. 166, No. 2, pp. 305-308.
12. Troczkij I. V., Vlasov V. I., Kochetkov P. V. Lazernoe legirovanie metalla tugoplavkimi soedineniyami [Laser alloying of metal with refractory compounds], Diffuzionnye processy v metallah [Diffusion processes in metals], Tula, 1982, pp. 149-152.
13. Molian P. A, Khan K. H., Wood W. E. Miccestrucheres of lazer procssed Fe-Cr surface alloys, Proc. 39th Annu. Meet. EcactronMicroisc. Los. Amer. Atconta, Boston. Ronge. 1981, pp. 328-329.
14. Nilson V. Surface meliting of cost iconuth a hich power lazer baem, Rapidly Solietified Amorphus and Gryst. Alloys Proc. Mater Res. Cos. Annu. Meet, New York, 1982, pp. 517-521.
15. Gorev D. V. Metastabil'nye diagrammy sostoyaniya metallicheskix splavov pri kristallizacii [The metastable phase diagram of metallic alloys during solidification], Izvestiya ANBSSR. Sereriya: Fiziko-tehnicheskix nauk [Proceedings of the Academy of Sciences of the BSSR. Cereria: physics and technical Sciences], 1983, No. 4, pp. 16-25.
16. Ayers Y. D., Yucher Y. R. Particalote. Tichardened steel surface by laser melt injection, Yhin Solid Films, 1980, Vol. 73, pp. 201-207.
17. Kulchenko V. F., Fedorodi V. F. Materialy dlya lazernyh opticheskih elementov [Materials for laser optical elements], Tehnologiya avtomobilestroeniya [Technology of Automotive Industry], 1980, No. 5, pp. 14-16.
18. Sromin F. A. Lazernaya termoobrabotka [Laser heat treatment], Elektrotexnicheskayapromyshlennost\ Seriya: Tehnologiya elektrotehnicheskogo proizvodstva [Electrical industry. Series: Electrotechnical production technology], 1982, No. 8, pp. 3-6.
19. Hayurov S. S., Kurbatova A. B. Rentgenovskoe issledovanie lazernogo legirovaniya [X-ray study of laser doping], Tehnologiya lyogkih splavov [Light alloy technology], 1978, No. 9, pp. 28-32.
20. Merkulov V. N. Opyt primeneniya lazernoj obrabotki metallov na promyshlennyh predpriyatiyah [Experience in the application of laser processing of metals in industrial enterprises], UKRNIINTI. Obzor. [UKRAINCI. Review], Kiev, 1983, pp. 66.
21. Kovalenko V. S., Chernenko V. S., Prihodko N. M. Lazernoe uprochnenie kontaktnyh poverhnostej [Laser hardening of contact surfaces], Elektronnaya obrabotka materialov [Electronic processing of materials], 1975, No. 6, pp. 77-79.
22. AbiPsiitov G. A., Golubev V. G. Osnovnye problemy lazernoj tehnologii i texnologicheskih lazerov [Basic problems of laser technology and technological lasers], Nauchno-issledovatel'skij Centrpo tehnologicheskim lazeram AN SSSR [Scientific Research Center for Technological Lasers of the USSR Academy of Sciences], Troiczk, 1980, pp. 38.
23. La Pocca A. V. Laser Application in Machining and Material Processing Europen, Conference of optical. Sycienist and Applications. Brighton, 1978, pp. 7.
24. Hodakovskij V. M., Patenkova E. P., Kuleshov I. I. Issledovaniya vliyaniya rezhima lazernoj obrabotki na glubinu i strukturu uprochnennoj zony' chugunnyh detalej sudovyh DVS [Studies of the influence of the laser treatment mode on the depth and structure of the hardened zone of castiron parts of ship internal combustion engines], Vestnik Morskogo gosudarstvennogo universiteta [Bulletin of the Marine State University], 2016, No. 74, pp. 28-36
The article was submitted 14.01.2021, accept for publication 15.02.2021.
Information about the authors: KAZAKOV SERGEY SERGEEVICH,
Ph. D. (Engineering), associate Professor of the Department «Technical and Biological Systems» Address: Nizhny Novgorod State University of Engineering and Economics, 606340, Russia, Knyaginino, Oktyabrskaya str., 22a E-mail: [email protected] Spin-code: 2153-7476
FEDOSEEV ALEXANDER VLADIMIROVICH,
senior Lecturer of the Department of «Technical and Biological Systems»
Address: Nizhny Novgorod State University of Engineering and Economics, 606340, Russia, Knyaginino,
Oktyabrskaya str., 22a
E-mail: [email protected]
Spin-code: 3892-3212
MATVEEV YURI IVANOVICH,
Dr. Sci. (Engineering), professor of the Department of «Operation of Marine Power Plants»
Address: Volga State University of Water Transport, 603951, Russia, Nizhny Novgorod Novgorod, Nesterova str., 5 E-mail: [email protected] Spin-code: 9817-9340
Contribution of the authors:
Sergey S. Kazakov: general project management, collection and processing of materials, writing the final version of the text.
Alexander V. Fedoseev: conducting experiments.
Yuri I. Matveev: search for analytical materials in domestic and foreign sources, designation of the methodological basis of the study.
All authors have read and approved the final manuscript.
