CC BY
99
Физика твёрдого тела
УДК 535:621.373.826]:539 Г.Д. Гуреев, Д.М. Гуреев
ВЛИЯНИЕ ЛАЗЕРНОЙ И ЛАЗЕРНО-УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТОК НА ИЗМЕНЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ СТАЛИ
Исследован износ поверхностей трения скольжения конструкционной стали 40Х по нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Из сопоставления процессов изнашивания стали 40Х, взятой в исходном отожжённом состоянии, после её лазерной и лазерно-ультразвуковой закалки до различных значений микротвёрдости поверхности и отдельно после объёмной термообработки установлено, что во всем диапазоне величин микротвёрдости вне зависимости от степени дисперсности структур износ носит усталостный характер. Выявлена тенденция возрастания износостойкости и соответственно уменьшения скорости износа при росте микротвёрдости трущейся поверхности. Из анализа экспериментальных данных получены эмпирические аналитические соотношения, связывающие параметры износа с микродюриметрическими характеристиками поверхности. Показано, что процесс износа сопровождается формированием особого структурно-напряжённого состояния в зоне Сен—Венана, характеризующегося постоянным уровнем твёрдости вне зависимости от предшествующего состояния материала.
Введение. До настоящего времени лазерная обработка отдельно, а также в комбинации с ультразвуковой обработкой поверхностей деталей машин остаётся одной из передовых высокотехнологических операций, лежащих в основе улучшения эксплуатационных характеристик этих деталей машин, и в частности, таких как износостойкость. Результаты работ, посвящённых изучению износостойкости поверхностей, обработанных лазерным излучением, показывают, что поверхности материалов, испытавших фазовые превращения при их термообработке, становятся более износостойкими после лазерной обработки по сравнению с их износостойкостью после традиционной объёмной термообработки [1-8]. Повышение износостойкости, в первую очередь, достигается за счёт большего повышения твёрдости зон лазерного воздействия. Этому также способствует формирующаяся мелкодисперсная структура. Однако, как известно, с повышением твёрдости возрастает хрупкость, что ведёт к особенностям в поведении мелкодисперсной твёрдой структуры при трении. Выявление этих особенностей затрагивает один из центральных вопросов трибологии, связанных с изучением процессов разрушения приповерхностных слоев при фрикционном взаимодействии поверхностей [9]. Если при абразивном износе проблема износостойкости сводится к определению того, насколько устойчивым оказывается материал к микрорезанию, т. е. к определению устойчивости к разрушению границ зёрен, то при трении скольжения процесс изнашивания намного сложнее. Считается, что в основе трения скольжения лежат процессы пластической деформации и разрушения, локализованные в окрестности контакта трущейся пары [10-17].
Целью данной работы явилось сравнительное изучение особенностей изнашивания при сухом трении скольжения поверхностей трения конструкционной стали 40Х, взятой в исходном отожжённом состоянии, после её лазерной и лазерно-ультразвуковой обработок и отдельно после её объёмной термообработки.
Материал, методика и техника эксперимента. В качестве объекта исследования использовалась цилиндрическая поверхность образцов диаметром 50 мм и высотой 12 мм из конструкционной стали 40Х. Образцы брались в исходном отожжённом состоянии, после обработки исследуемой поверхности отдельно лазерным излучением и в комбинации лазерного воздействия с предварительной ультразвуковой обработкой, а также после объёмной термообработки. Объёмная термообработка включала в себя закалку от 850 С в воду с последующим двухчасовым отпуском при 200 С.
Лазерная обработка осуществлялась непрерывным СО2-лазером ЛГН-702 с мощностью излучения 600 Вт. Излучение фокусировалось либо в полосу размером 11 х 1 мм с выровненным распределением плотности мощности по её длине, либо в круглое гауссово пятно диаметром 3 мм. Для увеличения коэффициента поглощения лазерного излучения на обрабатываемую поверхность наносился слой спиртового раствора чёрной типографской краски в 40 мкм. Об-
работка лазерным лучом в форме полосы осуществлялась за один оборот образца. Скорость перемещения луча V при этом составляла от 1,5 до 6,5 мм/с. При обработке круглым пятном лазерный луч перемещался по цилиндрической поверхности образца по винтовой линии. Его линейная скорость перемещения изменялась в пределах от 3 до 12 мм/с. При этом скорость перемещения вдоль оси вращения составляла 0,2 мм/с.
Для предварительной ультразвуковой обработки цилиндрической поверхности образца использовался ультразвуковой генератор УЗГ1-1 с магнитострикционным преобразователем ПМС1-1 и коническим концентратором полуволновой длины с радиусом закругления на конце 2,5 мм. Частота ультразвуковых колебаний составляла 22 кГц, амплитуда —до 45 мкм, мощность — до 1 кВт, усилие прижима концентратора к поверхности образца — 50 Н. Концентратор перемещался по цилиндрической поверхности образца по плотно прилегающим друг к другу (без перекрытия) окружностям со скоростью 1,9 мм/с. Ширина каждого отдельного прохода составляла ~ 1 мм. Последующая лазерная обработка лучом в форме полосы также осуществлялась со скоростью 1,9 мм/с.
Испытания на износ проводились на машине трения 2070 СМТ-1 по схеме диск—колодка при сухом трении. Для уменьшения вероятности образования окислов железа в качестве материала контртела (колодки) была выбрана нержавеющая сталь 12Х18Н10Т с микротвёрдостью 2,1 ГПа, близкой к микротвёрдости отожжённой стали 40Х. Колодка представляла собой сегмент кольца с внутренним диаметром 50 мм, наружным диаметром 70 мм и толщиной 10 мм. Колодка прижималась к диску по цилиндрической поверхности диаметром 50 мм с силой ¥, равной 10, 20, 30 или 40 Н. Частота вращения диска V составляла 0,40, 1,33 или 2,17 Гц. Величина износа регистрировалась по изменению веса диска. Взвешивание проводилось на аналитических весах с точностью 5 мг через каждые 500 циклов при испытаниях с частотой вращения 0,40 Гц и через каждые 5000 циклов при испытаниях с частотами вращения 1,33 и 2,17 Гц. Испытания проводились при комнатной температуре (20 ±4 С) на воздухе. Влажность колебалась от 60 до 80%. Параметры испытаний для различных исходных состояний поверхности стали 40Х приведены в табл. 1.
Таблица 1
Параметры испытаний для различных исходных состояний поверхности стали 40Х
v, Гц F, H 0,40 1,33 2,17
Исходное отожжённое состояние
10 + + +
20 - - -
30 - - -
40 - - -
Лазерная закалка отдельно и с предварительной
ультразвуковой обработкой
10 + + +
20 + - -
30 + - -
40 + - -
Объёмная термообработка
10 + + +
20 - - -
30 - - -
40 - - -
Металлографический, дюриметрический, рентгеновский фазовый анализы изнашиваемых поверхностей стали 40Х проводились с помощью оптического микроскопа Neophot-30, микротвердомера ПМТ-3 при нагрузке 0,98 Н, твердомера ТП-7р-1 для измерения твёрдости по Виккерсу при переменных нагрузках 49,03, 98,06, 196,12 и 294,18 Н, дифрактометра Дрон-3 с фильтрованным Х^-излучением кобальта соответственно. При измерении твёрдости по Виккерсу глубина проникновения индентора при постоянном угле между противоположными гранями алмазной пирамидки, равным 136°, определялась по диагонали отпечатка. Измерение остаточных напряжений в поверхностных слоях образцов осуществлялось рентгеновским методом sin2 ty по четырём углам ty = 0, 10, 20 и 30° в диапазоне углов 26 = 140 ь 170° на переносной пор-
тативной установке Б^атАех РБГ-2М. Использовался кобальтовый или хромовый источник рентгеновского излучения. Съёмка велась с участков поверхности размером 4 х 1 мм.
Экспериментальные результаты и их обсуждение. Структура стали 40Х в отожжённом состоянии представляет собой феррито-перлитную смесь с микротвёрдостью 2,1 ГПа. После объёмной термообработки сталь 40Х имеет бейнитную структуру с отдельными мартенситны-ми участками. Её микротвёрдость при этом достигает 5,4 ГПа. В зонах лазерного и лазерноультразвукового воздействий на отожжённую сталь 40Х формируется мартенсито-троститная структура. Кроме того, отмечено появление областей метастабильного аустенита с возрастанием их числа при предварительном пластическом деформировании поверхности стали ультразвуком. По мере удаления от поверхности доля мартенсита уменьшается, а доля тростита увеличивается. На периферии зон лазерного и лазерно-ультразвукового воздействий наблюдается ферритная сетка.
Лазерная обработка круглым пятном обеспечивает максимальную глубину упрочнённой зоны 0,65 мм. Глубина упрочнённой зоны, формируемой лучом, трансформированным в полосу, не превышает 0,45 мм. Эти значения, как и значения микротвёрдости, обусловлены достигаемой температурой поверхности при прочих равных условиях. Распределения микротвёрдости по глубине зон лазерного воздействия в образцах, обработанных с различными скоростями перемещения луча, трансформированного в полосу или сфокусированного в круглое пятно, приведены на рис. 1. Анализ экспериментальных результатов показал, что зависимости Н от г могут быть представлены в виде квадратичных функций
Н = а - Ь (г + с)2, (1)
где а [ГПа], Ь [ГПа/мм2] и с [мм] — постоянные, значения которых определяются по трём парам значений Н [ГПа] и 2 [мм] в пределах каждого отдельного распределения. Как следует из рис. 1, экспериментальные точки в целом хорошо ложатся на расчётные кривые.
На рис. 2 и 3 представлены результаты испытаний на износ поверхностей трения стали 40Х в исходном отожжённом состоянии после её лазерной и лазерно-ультразвуковой обработок и после объёмной термообработки. Сравнительный анализ этих результатов в сопоставлении с приведёнными на рис. 1 зависимостями Н от 2 приводит к очевидному выводу, что чем выше микротвёрдость, тем меньше износ, определяемый наклоном соответствующих кривых. Наклон кривых износа поверхностей, подвергнутых лазерной и лазерно-ультразвуковой
0
од
0,2
0,3
г, мм
Рис. 1. Распределения микротвёрдости Н0>98 по глубине 2 зон лазерного (1, 2, 3, 4, 6, 7) и лазерно-ультразвукового (5) упрочнения поверхности отожжённой стали 40Х лучом, трансформированным в полосу (1-5) и сфокусированным в круглое пятно (6, 7): V, мм/с: 1 — 6,3; 2 — 3,9; 3 — 2,9; 4, 5 — 1,9; 6 — 6,4; 7 — 5,6; 8 — исходная отожжённая сталь; 9 — объёмно термообработанная сталь. Результаты расчёта по формуле (1) изображены сплошными линиями
Рис. 2. Экспериментальные зависимости износа Ш поверхностей трения отожжённой стали 40Х после её лазерного упрочнения лучом, трансформированным в полосу, от числа циклов испытаний N: V, мм/с: 1 — 6,3, 2 — 3,9, 3 — 2,9; р = 10 Н; V = 0,40 Гц
обработкам, по мере увеличения числа циклов испытаний плавно возрастает, асимптотически приближаясь к наклону прямой, соответствующей износу поверхности стали 40Х в исходном отожжённом состоянии.
Зависимость тангенса угла наклона кривых износа в самом начале циклов испытаний от микротвёрдости соответствующих поверхностей приведена на рис. 4. В результате анализа данной зависимости получено эмпирическое аналитическое соотношение
« а = Н^ ■10-5' (2)
взаимосвязывающее величину тангенса угла tgа [г/цикл] наклона кривых износа и микротвёрдость Н [ГПа] изнашиваемого слоя.
На основании соотношений (1) и (2), выведено аналитическое выражение, связывающее величину износа Ш с числом циклов испытаний N:
N = ■
1 а712Б 384 А
Ъ(Ш Ї2 (Ъ\2( ш ,
279 - 326а \ Б + с) +200 Ч б + ^ -
4
,Ъ\3( ш
-48 а (б+с
+ 105л/ —arcsm Ъ
'Ъ(Ш ' — — + с а \ Б
-с\
І1-Ъс2
-48|-а
Ъ
279 — 326—с2 +2001-
а
- 105л/ — aгcsin Ъ
V
с 4-
{ I— л
Ъ а
У
(3)
Здесь А = 3,1 • 10 [(г/цикл)• ГПа7 ], Б = пБНр [г/мм], Б = 50 [мм] — диаметр образца, Н = 10 [мм] — толщина колодки, р = 7,87-10-3 [г/мм3] — плотность стали, Ш [г], N [цикл]. Рассчитанные по формуле (3) зависимости в сопоставлении с экспериментальными данными (рис. 2 и 3) приведены на рис. 5 и 6. Хорошее согласие результатов расчёта и эксперимента позволяет использовать формулу (3) для прогнозирования развития процесса износа поверхности стали, подвергнутой воздействию лазерного или лазерно-ультразвукового источника.
2
6
2
а
а
3
Ъ
6
с
г»-4
Рис. 3. Экспериментальные зависимости износа Ш поверхностей трения исходной отожжённой стали 40Х (1), после её лазерного (2, 3, 5) и лазерно-ультразвукового (4) упрочнения лучом, трансформированным в полосу (3, 4) и сфокусированным в круглое пятно (2, 5), и после её объёмной термообработки (6) от числа циклов испытаний N: V, мм/с: 2 — 6,4;
3, 4 — 1,9; 5 — 2,9; ¥ =10 Н; V =1,33 Гц
Рис. 4. Зависимость тангенса угла наклона tgа кривых износа в самом начале циклов испытаний от микротвёрдости соответствую-
щих поверхностей. Результат расчёта по формуле (2) изображён сплошной линией
105ЛГ
Рис. 5. Рассчитанные по формуле (3) зависимости (кривые, изображённые сплошными линиями), связывающие величину износа Ш с числом циклов испытаний N. Обозначения экспериментальных точек соответствуют рис. 2
б/ 5
/ж /ж
со ' ^
Шлл/К 2 1
О
8
12 IV, г
Рис. 6. Рассчитанные по формуле (3) зависимости (кривые, изображённые сплошными линиями), связывающие величину износа Ш с числом циклов испытаний N. Обозначения экспериментальных точек соответствуют рис. 3
С точки зрения существующих представлений [10-14] во всех рассмотренных случаях износ носит усталостный характер вне зависимости от микротвёрдости и степени дисперсности структуры. Возрастание последних ведёт к уменьшению размеров зон пластической деформации и разрушения. На рис. 7 и 8 показаны структуры изношенных поверхностей отожжённой и объёмно термообработанной стали 40Х. Хорошо видны образующиеся в процессе износа наклёпанные слои в зоне Сен—Венана, которые по мере развития процесса удаляются с поверхности в виде отдельных чешуек. Размер чешуек коррелирует со степенью дисперсности структуры и её микротвёрдостью. Исходя из этого, эффект сглаживания изменения величины износа на границе между закалённым лазером слоем и основным объёмом отожжённой стали можно объяснить следующим образом. Более упругий закалённый слой менее подвержен пластической деформации и вовлекает в движение более пластичный нижележащий слой. Это приводит к тому, что к моменту износа закалённого лазером слоя исходный отожжённый материал изменяет свою структуру и повышает твёрдость. Результатом является плавное изменение угла наклона кривых износа на рис. 2 и 3.
Для более тщательного изучения данного процесса закалённый лазером образец подвергался износу до глубины, примерно равной глубине закалки. Лазерная обработка осуществлялась лучом, трансформированным в полосу, со скоростью перемещения последнего 1,9 мм/с. При этом микротвёрдость поверхности образца достигала 5,3 ГПа. При износе частота вращения диска составляла 2,17 Гц, а сила прижима колодки к диску — 10 Н. Распределение микротвёрдости по глубине образца приведено на рис. 9 (кривая 1). Здесь штриховой линией обозначена примерная глубина износа образца. По завершению изнашивания поверхности измерения мик-
Рис. 7. Структура изношенной поверхности исходной отожжённой стали 40Х. Увеличено в 320 раз
Рис. 8. Структура изношенной поверхности объёмно термообработанной стали 40Х. Увеличено в 320 раз
ротвёрдости показали, что она превышает микротвёрдость отожжённой стали 40Х и составляет 2,4 ь 2,5 ГПа. Измерения проводились на глубине от 0,04 до 0,10 мм от изношенной поверхности (точки 2 на рис. 9). Полученные значения указывают на то, что на самой поверхности сформировался наклёпанный слой, аналогичный слоям, показанным на рис. 7 и 8. Измерения микротвёрдости вблизи поверхности затруднены, т. к. попадание индентора микротвердомера в полосу течения или в место концентрации микротрещин приводит к росту разброса результатов. Совокупность точек 3 на рис. 9 характеризуется разбросом значений микротвёрдости от 4,6 до 6,6 ГПа. Измерения твёрдости по методу Виккерса со стороны изношенной поверхности при переменной нагрузке (точки 4 на рис. 9) непосредственно позволяют выявить рост твёрдости от 2,9 до 4,6 ГПа по мере приближения к поверхности.
Таким образом, в процессе износа закалённого лазером слоя в структуре отожжённой стали под закалённым слоем происходят существенные изменения, ведущие к формированию наклёпанного слоя с высокой микротвёрдостью.
Следствием этого является монотонный характер кривых износа, приведённых на рис. 2 и 3.
Формирование наклёпанных слоев в процессе изнашивания поверхностей трения стали 40Х характеризуется изменением их структурно-напряжённого состояния, о чём свидетельствуют данные рентгеновского фазового анализа и измерения остаточных напряжений. Остаточный аустенит лазерной закалки в процессе изнашивания поверхностей трения превращается в мартенсит деформации. На дифрактограм-мах интенсивность линий остаточного аустени-та уменьшается, а интенсивность мартенситных линий возрастает. Величина сжимающих остаточных напряжений изменяется от -100 МПа для отожжённого состояния до -300 МПа для структуры лазерной закалки и до -500 МПа для изношенной закалённой лазером поверхности.
Для детализации особенностей износа при трении скольжения измерялась микротвёрдость в зоне Сен—Венана в отожжённых образцах и образцах, прошедших лазерную закалку до различных значений микротвёрдости. Полученные результаты сведены в табл. 2. Эти результаты свидетельствуют о том, что независимо от исходного состояния материала в зоне Сен—Венана происходят однотипные изменения, ведущие к формированию особого структурно-напряжённого состояния.
Заключение. Таким образом, в результате проведённых исследований показана эффективность использования лазерной и лазерно-ультразвуковой обработок для повышения износостойкости поверхности в условиях сухого трения скольжения. Выявлена тенденция повышения износостойкости с возрастанием микротвёрдости поверхностных слоев. Получены эмпири-
Таблица 2
Микротвёрдость наклёпанных слоев в зоне Сен—Венана в стали 40Х с различным исходным состоянием поверхности (^ =10 ^ V = 0,40 Гц)
№ п/п Исходная микротвёрдость поверхности, ГПа Число циклов испытаний, 103 Микротвёрдость наклёпанного слоя в зоне Сен—Венана, ГПа
1 2,1 70 4,4
2 2,1 170 4,8
3 3,6 80 4,6
4 4,8 5 4,7
5 4,8 20 4,7
6 6,5 5 4,6
0 0,1 0,2 0,3 г, мм
Рис. 9. Распределение микротвёрдости Н по глубине ^ зоны лазерного воздействия и прилегающей к ней зоны в отожжённой стали 40Х до (1) и после (2-4) износа: 1-3 — Н0>98, 4 — НУ; Б =10 Н; V = 2,17 Гц; штриховой линией обозначена примерная глубина износа
ческие аналитические соотношения, связывающие параметры износа с микродюриметрически-ми характеристиками поверхности. Установлен усталостный характер износа, который сопровождается формированием наклёпанных слоев, удаляемых с поверхности в виде отдельных чешуек. Процесс износа сопровождается формированием особого структурно-напряжённого состояния, характеризующегося постоянным уровнем твёрдости в зоне полос пластического течения вне зависимости от предшествующего состояния материала.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Бирюков, В. П. Лазерная закалка поверхностей трения серого чугуна сканирующим лучом [Текст] / В. П. Бирюков // Трение и износ. — 1986. — Т. 7, № 4. — С. 718-721.
2. Дубняков, В.Н. Влияние предшествующей обработки на пластичность и абразивную износостойкость метаста-бильных слоев [Текст] / В. Н. Дубняков // Трение и износ. — 1985. — Т. 6, № 5. — С. 827-834.
3. Дубняков, В.Н. Повышение износостойкости трущихся поверхностей деталей лазерным упрочнением [Текст] / В. Н. Дубняков, С. П. Козырев, И. Л. Пимков // Трение и износ. — 1984. — Т. 5, № 4. — С. 713-714.
4. Суслов, А. Г. Исследование возможностей повышения динамической поверхностной прочности сталей с помощью лазерного легирования [Текст] / А. Г. Суслов, Ю. В. Колесников, В. П. Инютин // Трение и износ. — 1985. — Т. 6, № 5. —С. 872-877.
5. Алисин, В. В. Определение параметров упрочнения зон при закалке сканирующим лазерным лучом [Текст] / В. В. Алисин, В. П. Бирюков // Трение и износ. — 1988. — Т. 9, № 6. — С. 1027-1031.
6. Михин, Н. М. Исследование влияния лазерного излучения на физико-механические характеристики поверхностных слоев деталей и их износостойкость при абразивном изнашивании [Текст] / Н. М. Михин, Л. Н. Обищенко,
Г. И. Козлов и др. // Трение и износ. — 1983. — Т. 4, № 4. — С. 648-653.
7. Коршунов, Л. Г. Исследование износостойкости и структурных превращений при абразивном изнашивании стали У8, упрочнённой лазером [Текст] / Л. Г. Коршунов, А. В. Макаров, А. Л. Осинцева // Трение и износ.— 1988. —Т. 9, № 1.—С. 52-59.
8. Исследование влияния лазерного упрочнения в режиме глубинного проплавления на физико-механические характеристики поверхностных слоев стальных деталей и их износостойкость при абразивном изнашивании [Текст] / Г. И. Козлов, Л. Н. Обищенко, Н. М. Мухин и др. // Трение и износ. — 1984. — Т. 5, № 2. — С. 251-257.
9. Проблемы изнашивания твёрдых тел в аспекте механики [Текст] / А. Ю. Ишлинский, И. В. Крачельский, Н. М. Алексеев и др. // Трение и износ. — 1986. — Т. 7, № 4. — С. 581-592.
10. Крачельский, И. В. Трение и износ [Текст] / И. В. Крачельский. — М.: Машиностроение, 1968. — 480 с.
11. Костецкий, Б. И. Поверхностная прочность материалов при трении [Текст] / Б. И. Костецкий. — Киев: Техника, 1976. — 292 с.
12. Новое о структурных особенностях трения твёрдых тел [Текст] / Н. М. Алексеев, Р. И. Богданов, Н. А. Буше
и др. // Трение и износ. — 1988. — Т. 9, № 6. — С. 965-973.
13. Алексеев, Н. М. Новое о структурных особенностях изнашивания твёрдых тел [Текст] / Н. М. Алексеев // Трение и износ. — 1989. — Т. 10, № 2. — С. 197-205.
14. Поляков, А. А. Природа и границы применения избирательного переноса [Текст] / А. А. Поляков // Трение и износ. — 1988. — Т. 9, № 3. — С. 473-480.
15. Алексеев, Н. М. Некоторые аспекты совместимости материалов при трении. I. Подповерхностные процессы [Текст] / Н. М. Алексеев, Н. А. Буше // Трение и износ. — 1985. — Т. 6, № 5. — С. 773-783.
16. Костецкий, Б. И.Механические процессы при граничном трении [Текст] / Б. И. Костецкий, М.Э. Натансон, Л. И. Бершадский. — М.: Наука, 1972. — 170 с.
17. Алексеев, Н. М. Особенности пластического течения металлов при трении и их влияние на процессы трения и изнашивания [Текст] / Н.М. Алексеев, И. В. Крачельский, А. М. Шапиро // Трение и износ. — 1983. — Т. 4, № 3. — С. 389-397.
Самарский государственный технический университет, г. Самара
Поступила 05.12.2006
