Формирование модифицированных упрочненных слоев на сталях методами комплексного поверхностного легирования (стр. 3 )

Технологическими параметрами двухстадийной технологии являются параметры лазерного легирования: мощность импульса излучения, длительность импульса, толщина шликерного покрытия и количество лазерных «пятен» на единицу поверхности, и параметры термодиффузионной металлизации: температура, длительность процесса и состав атмосферы.

После двухстадийной металлизации микроструктура модифицированной поверхности стали 40Х представляет собой сплошной слой, легированный хромом толщиной до 100 мкм (рис. 6). Исследования стали 40Х, подвергнутой термодиффузионной металлизации хромом без лазерной обработки, показали, что толщина слоя не превышает 40 мкм. Результаты дюрометрических исследований представлены на рис. 7 и 8. Из графиков видно, что твердость металлизированного диффузионного слоя с предварительной лазерной обработкой и без неё отличается незначительно и составляет 12000…13000 МПа, что сопоставимо с твердостью высоколегированной стали после азотирования.

Толщина слоя эффективного упрочнения с твердостью выше 5000 МПа составляет около 120 мкм в первом случае (рис. 7, кривая 2) против 60 мкм во втором (рис. 7, кривая 1).

а) б)

Рис. 6. Микроструктуры стали 40Х после двухстадийной металлизации:

а - внутри лазерной зоны; б – вне лазерной зоны

Рис. 7. Распределение микротвердости по толщине стали 40Х: 1 - после стандартной металлизации без предварительного лазерного легирования (Т=10000С, τ=3ч); 2 - после двухстадийной обработки (Т=7350С, τ=3ч).

На толщину металлизированного слоя большое влияние оказывает плотность заполнения поверхности обрабатываемых образцов лазерными «пятнами». Исследования показали, что при отсутствии лазерных зон толщина упрочненного слоя после металлизации составляет 40 мкм. Если заполнение лазерными зонами составляет 4 ед/см2, то толщина металлизированного слоя составляет 80 мкм, а при увеличении плотности расположения лазерных «пятен» до 6 ед/см2 - увеличивается до 120 мкм. При дальнейшем увеличении данного параметра толщина упрочненного слоя возрастает незначительно.

Исследования влияния технологических параметров двухстадийного хромирования стали 40Х на толщину и микротвердость модифицированного слоя показали, что при увеличении длительности термодиффузионного насыщения от 3 до 4 часов толщина слоя возрастает от 100 мкм до 120 мкм, дальнейшее увеличение длительности до 7 часов увеличивает толщину слоя лишь на 20 мкм. Оптимальными параметрами двухстадийного хромирования являются T=700÷8000C, τ= 3÷4ч, для насыщения титаном - Т=7500С, τ=4ч; ванадием - Т=7350С, τ- 3 ч; алюминием - Т= 7000С, τ-2ч.

Для достижения более высокого упрочнения стали 40Х, повышения её износостойкости, снижения коэффициента трения и способности к прирабатыванию после двухстадийного модифицирования проводили азотирование. Такая комплексная технология повышает микротвердость упрочненного слоя до 18000 МПа (рис. 8). Толщина слоя эффективного упрочнения с твердостью выше 10000 МПа составляет 170 мкм, что больше слоя эффективного упрочнения после двухстадийной металлизации без азотирования. Это связано с дальнейшей диффузией легирующего элемента вглубь и образованием дисперсных нитридов в процессе азотирования.

Рис. 8. Распределение микротвердости по толщине стали 40Х после двухстадийной металлизации хромом (Т=7350С, τ=3ч) с последующим азотированием (Т=5700С, τ=3ч)

Комплексная технология модифицирования поверхности была применена для упрочнения быстроизнашивающихся полуосей гоночного автомобиля Формулы Гибрид, который был создан коллективом студентов и аспирантов МАДИ и принял участие в чемпионате мира в США.

Глава 6 содержит исследования влияния различных способов поверхностного модифицирования углеродистых сталей на их прочностные и эксплуатационные характеристики. Лазерное легирование сталей У8, У10 позволяет повышать прочность поверхности до 1,5 раз по сравнению со стандартной термообработкой: закалкой и низким отпуском, износостойкость при этом увеличивается до 2-х раз по сравнению со стандартной термообработкой (рис. 9, 10).

После лазерного легирования и азотирования стали У10 прочность оказалась больше, чем после закалки и низкого отпуска. Причем по сравнению с прочностными характеристиками после лазерного легирования в большинстве случаев она несколько снижается, однако остается всегда выше, чем после закалки и низкого отпуска.

Рис. 9. Влияние типа легирующего элемента и вида термообработки на прочность модифицированного слоя стали У10:

- лазерное легирование; - лазерное легирование + азотирование

Рис. 10. Влияние типа легирующего элемента и вида термообработки на износостойкость стали У10: - лазерное легирование; - лазерное легирование + азотирование

Обработка стали 40Х по технологии двухстадийной металлизации повышает её прочность в 2 раза, а по комплексной технологии – в 2,5 раза по сравнению со стандартной металлизацией и в 3 - 5 раз по сравнению с улучшением.

Глава 7 посвящена определению рациональных диапазонов технологических параметров обработки (мощность и скорость перемещения лазерного луча, тип легирующего элемента, температура и длительность термодиффузионной металлизации и азотирования) для формирования модифицированных поверхностных слоев заданного строения и толщины и обеспечения требуемых свойств поверхности для деталей различного назначения. В табл. 2 и 3 приведены оптимальные режимы обработки углеродистых сталей для получения качественных модифицированных слоев на поверхности деталей различного назначения.

Таблица 2

Рекомендуемые технологические режимы лазерного легирования и комбинированной обработки углеродистых сталей

Вид Обработки		Мощность излучения, Вт	Скорость перемещения луча, мм/с	Количество легирующей суспензии, мг/см2	Толщина упрочненного слоя, мкм	Микро-твердость Н, МПа	Износо-стойкость Δm, мг/1000м
ЛЛ в непрерывном режиме	Al Cr V Ti Nb Mo W	600	20 10-20 10-20 10-20 10-20 15 15	28-30 24-26 24-26 24-26 24-26 22 22	400 450-600 450-600 450-600 450-600 500 500	9000 6100 10500 10500 10300 10500 10200	10 15 9 9 9 9 9
Вид Обработки		Температура, 0С	Степень диссоциации аммиака, %	Толщина упрочненного слоя, мкм	Длительность процесса, ч	Микро-твердость Н, МПа	Износо-стойкость Δm, мг/1000м
ЛЛ +азотирование	Cr Mo W V Nb Ti	570 570 570 570 540 540	30% 30% 30% 30% 30% 30%	450 430 410 400 300 450	6 6 6 6 6 6	9000 7800 8000 9000 7800 9200	9 8 10 9 10 9

Таблица 3

Рекомендуемые технологические параметры двухстадийной металлизации и комплексной обработки конструкционных сталей

Вид Обработки	Э	Энергия излучения, Дж	Длительность импульса, мс	Количество легирующей суспензии, мг/см2	Толщина упрочненного слоя, мкм	Микро-твердость, Н, МПа	Износо-стойкость Δm, мг/1000м
ЛЛ в импульсном режиме	Al Cr Ti	15	4 4 4	28-30 24-26 24-26	300 300 300	4500 6000 6000	16 15 15
Вид Обработки	Э	Температура, 0С	Степень диссоциации аммиака, %	Толщина упрочненного слоя, мкм	Длительностьпроцесса, ч	Микро-твердость, Н, МПа	Износо-стойкость Δm, мг/1000м
Двухстадийная металлизация	Al Cr Ti	С	100 100 100	160 150 150	3 3 3	12000	7 6 6
Двухстадийная металлизация+ азотирование	Al Cr Ti	5700С	30 30 30	180 170 170	3 3 3	18000 18000 17500	5 5 6

ВЫВОДЫ

1. Разработана технология поверхностного легирования высокоуглеродистых сталей с использованием лазерного нагрева.

2. Показано, что структура и фазовый состав упрочненного слоя после лазерного легирования зависят от параметров излучения, теплофизических свойств легирующего элемента и содержания углерода в стали. При легировании стали У8 карбидо - и нитридообразующими элементами (Cr, V, Nb, Ti, Al, Mo и W) в зависимости от параметров излучения структура может быть как мелкозернистой с твердым раствором легирующего элемента в железе, так и представлять собой структуру мелкоигольчатого мартенсита с мелкодисперсными включениями карбидов легирующего элемента. Толщина легированной зоны на сталях У8, У10 для тех же легирующих элементов составляет 600…800 мкм, концентрация Cr, V, Ti и Nb в поверхностном слое после лазерного легирования малоуглеродистых сталей составляет 15…25% , Мо и W - 5..8 %, концентрация Al в зоне легирования при обработке непрерывным лазером не превышает 5 % (по массе). Максимальная микротвердость поверхности сталей У8 и У10 достигается при легировании вольфрамом и молибденом и составляет МПа.

3. Установлено, что лазерное поверхностное легирования сталей У8 и У10 повышает прочность поверхности в 1,5 раза, а износостойкость в 2 раза по сравнению со стандартной термообработкой данных сталей - закалкой и низким отпуском.

4. Построена расчетная модель, связывающая параметры структуры с уровнем упрочнения высокоуглеродистых сталей, подвергнутых лазерному легированию различными легирующими элементами. Адекватность модели подтверждена экспериментальными исследованиями влияния лазерной обработки на микротвердость и прочность поверхностного слоя углеродистых сталей.

5. Построена расчетная модель для прогнозирования уровня упрочнения высокоуглеродистых сталей при комбинированной обработке, заключающейся в лазерном легировании и последующем азотировании. На основе расчетов установлено, что азотирование высокоуглеродистых сталей, легированных при лазерном нагреве не снижает их уровня прочности.

6. Разработана технология комбинированной обработки, заключающаяся в лазерном поверхностном легировании углеродистых сталей карбидо - и нитридообразующими элементами с последующим азотированием.

7. Показано что при лазерном легировании и последующем азотировании структура упрочненного слоя в зависимости от параметров азотирования и легирующего элемента состоит из легированных α-фазы и нитридных фаз с возможным выделением дисперсных нитридов легирующих элементов, при этом микротвердость легированной зоны на сталях У8, У10 составила 9МПа.

8. Показано, что после лазерного поверхностного легирования наблюдается неоднородное распределение остаточных напряжений в упрочненном слое. Выявлено постепенное уменьшение напряжений сжатия от центра металлизированной зоны к границе с основным металлом вплоть до образования растягивающих напряжений, величина которых достигает 30 МПа на стали 45 и 80 МПа на стали У8. Установлено, что последующее азотирование уменьшает напряжения сжатия в центре лазерной зоны и полностью устраняет растягивающие напряжения на границе с основным металлом. На сталях 45 и У8 на расстоянии 3-5 мм от центра дорожки сохраняются напряжения сжатия 23±15 и 200±80 МПа соответственно. Такое распределение остаточных напряжений снижает вероятность зарождения микротрещин в упрочненном слое при циклических нагрузках.

9. Показано, что лазерное легирования сталей У8, У10 и последующее их азотирование позволяют увеличить прочность поверхности в 1,5 раза, а износостойкость в 2,5 раза по сравнению со стандартной термообработкой за счет снижения коэффициента трения.

10. Предложен новый способ двухстадийной технологии модифицирования поверхности конструкционных сталей, включающий локальное лазерное легирование и металлизацию в атмосфере аммиака, позволяющий получать металлизированный слой толщиной до 160 мкм в течение 3 часов при температуре 700ºС.

11. Установлено, что механизм интенсификации процесса двухстадийной металлизации обусловлен: 1 - наличием в шликерной обмазке галогенидов, являющихся катализатором транспортных реакций, 2 - диффузией легирующего элемента одновременно из лазерно-легированных зон и из шликерной обмазки, 3 – снижением температуры α →γ превращения в присутствии азота в насыщающей среде.

12. Двухстадийная металлизация повышает микротвердость упрочненного слоя конструкционных сталей до 10МПа в зависимости от типа легирующего элемента, что в 1,5 - 1,8 раза выше, чем после стандартной металлизации.

13. Комплексная технология, заключающаяся в двухстадийной металлизации с последующим азотированием, повышает микротвердость упрочненного слоя конструкционных сталей до 16МПа в зависимости от типа легирующего элемента.

14. Показано, что обработка стали 40Х по технологии двухстадийной металлизации повышает её прочность в 2 раза, а по комплексной технологии – в 2,5 раза по сравнению со стандартной металлизацией и в 3 - 5 раз по сравнению с улучшением.

15. Показана возможность применения разработанных технологий для упрочнения различных деталей из конструкционных и инструментальных сталей с целью повышения их эксплуатационных свойств.

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в следующих работах:

1. Чудина, двухстадийной технологии металлизации конструкционных сталей с использованием лазерного и печного нагрева / , В. А., Александров, // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2012. – №6. – С. 32-35.

2. Чудина, прочности и износостойкости углеродистых сталей методами лазерного легирования и азотирования / , // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2012. – №6. – С. 26-31.

3. Чудина, технология модифицирования поверхности углеродистых сталей / , , // Перспективы развития химико-термической обработки сталей: теория – эксперимент – технологии: сб. науч. тр. – М.: МАДИ, 2011. – С. 205-213.

4. Чудина, влияния лазерного модифицирования поверхности на прочностные и эксплуатационные характеристики углеродистых сталей/ , , // Перспективы развития химико-термической обработки сталей: теория – эксперимент – технологии: сб. науч. тр. – М.: МАДИ, 2011. – С. 137-148.

5. Патент № 000. Способ низкотемпературного азотирования стальных деталей. – Зарегистрирован 10.04.2011.

6. Патент № 000. Способ поверхностного легирования деталей из стали 40. – Зарегистрирован 11.09.2011.

7. Чудина, модифицированных слоев на углеродистых сталях лазерным легированием и азотированием/ , // Новые материалы и технологии в машиностроении: сб. науч. тр.: Вып. 12. – Брянск: БГИТА, 2010. – С. 122-125.

8. Брежнев, А. А. О возможности формирования наноструктурированных слоев на металлических материалах методами химико-термической обработки/ , // Сб. тр. Всероссийской школы-семинара студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению развития Национальной нанотехнологической сети «Конструкционные наноматериалы». – М.: Изд. Дом МИСиС, 2010. – С.152-153

9. Чудина, поверхностное упрочнение углеродистых сталей методами химико-термической обработки/ , // Вестник ХНАДУ: сб. науч. тр.: Вып. 51. – Харьков: ХНАДУ, 2010. С. – 14-19.

10.Чудина, диффузионного покрытия на поверхности стали путем лазерного и термодиффузионного легирования/ , , // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2010. – №4. –С. 37-40.

11.Чудина, поверхностное упрочнение углеродистых сталей лазерным легированием с последующим азотированием/, , // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2010. – №4. – С. 33-37.

12.Чудина, легирование углеродистых сталей при лазерном нагреве/ , // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2010. – №4. – С. 10-16.

13. Чудина, комплексная технология упрочнения конструкционных сталей с применением лазерного нагрева / , , // Инновации в науке и образовании: сб. тр. 7-й Международной конференции Инновации в науке и образовании 2009. – Калининград: КГТУ, 2009. – С. 23-26.

14.

Подписано в печать 01.11.2012 г. Формат 60х84 / 16 Печать офсетная Усл. печ. л. 1,6 Уч.-изд. л. 1,4 Тираж 100 экз. Заказ 343 Ротапринт МАДИ Москва, Ленинградский просп., 64

Чудина, технологии создания диффузионных покрытий на сталях с высокими механическими характеристиками / , , // Вестник ХНАДУ: сб. науч. тр.: Вып. 46. – Харьков: ХНАДУ, 2009. – С. 72-76.