Формирование модифицированных упрочненных слоев на сталях методами комплексного поверхностного легирования (стр. 1 )

На правах рукописи

БРЕЖНЕВ Андрей Александрович

ФОРМИРОВАНИЕ МОДИФИЦИРОВАННЫХ УПРОЧНЕННЫХ СЛОЕВ НА СТАЛЯХ МЕТОДАМИ КОМПЛЕКСНОГО ПОВЕРХНОСТНОГО ЛЕГИРОВАНИЯ

(05.16.09-Материаловедение (машиностроение))

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

В печать

проректор по научной работе

Москва 2012

Работа выполнена в Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете (МАДИ) на кафедре металловедения и термообработки.

Научный

руководитель: доктор технических наук, профессор кафедры

«Металловедение и термообработка» МАДИ

Официальные

оппоненты: доктор технических наук, профессор кафедры

«Технология конструкционных материалов» МАДИ

кандидат технических наук, доцент кафедры

«Высокоэффективные технологи обработки» МГТУ

«Станкин»

Ведущая организация: .

Защита диссертации состоится «____» декабря 2012 г. в _____ на заседании диссертационного совета Д 212.126.03 при Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете (МАДИ) г. Москва, А-319, Ленинградский проспект, 64, ауд. 42

Телефон для справок: (4

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета. Копию отзыва просим прислать на e-mail [e-mail]

Автореферат разослан «___» ноября 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д.212.126.03

кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

На современном этапе развития техники актуальной является задача разработки металлических материалов с качественно новыми высокими и сверхвысокими свойствами, позволяющими существенно снизить металлоемкость изделий и обеспечить ресурсосбережение. Изменение и усложнение условий эксплуатации машин, узлов и агрегатов требует постоянного совершенствования материалов и модернизации технологий их изготовления.

В последние годы большое внимание уделяется развитию технологий поверхностного упрочнения. Это связано с новым подходом в оценке роли материала в обеспечении конструкционной прочности изделий, согласно которому именно состояние поверхности во многом определяет уровень прочности и эксплуатационные свойства деталей машин и инструмента.

Научно-технический прогресс в таких отраслях, как машиностроение, транспорт, станко-инструментальная отрасль и других высокотехнологичных отраслях экономики, в большой степени связан с совершенствованием применяемых материалов в направлении получения комплекса заданных эксплуатационных свойств.

Принципиально новые высокие и сверхвысокие физико-механические и эксплуатационные свойства изделий могут быть достигнуты путем целенаправленного модифицирования поверхности путем легирования различными элементами или их композициями с использованием высококонцентрированных источников энергии, в том числе лазерного излучения. Достоинством этого метода является возможность бесконтактно, быстро и строго дозированно передавать энергию на поверхность обрабатываемого материала. После лазерной обработки значительно повышается твердость и износостойкость сталей, в особенности содержащих карбидные или нитридные фазы. В настоящее время проведено достаточно много исследований по легированию различных металлов с использованием лазерного нагрева, однако широкого распространения и внедрения в промышленности они пока не нашли. Это связано с негативным влиянием лазерной обработки на остаточные напряжения в поверхностном слое, особенно в сталях с высоким содержанием углерода, и, как следствие, на усталостные характеристики изделий. Именно этот факт ограничивает области применения лазерных технологий и сдерживает их дальнейшее развитие в инженерии поверхности.

Другой известный способ целенаправленного модифицирования стальной поверхности – металлизация, т. е. диффузионное насыщение металлами при печном нагреве, проводится при очень высоких температурах (до 1420ºС) в течение не менее 6-8 часов, при этом толщина модифицированного слоя не превышает 100 мкм и концентрация легирующих элементов в нем, а следовательно, и твердость резко снижаются от поверхности вглубь.

В связи с этим актуальными являются: изучение процессов, протекающих в поверхностном слое углеродистых сталей при легировании с использованием лазерного и печного нагрева; возможность повышения эффективности лазерной обработки путем применения комплексных методов модифицирования, включающих азотирование и металлизацию; разработка новых комбинированных технологий, позволяющих не только существенно повысить физико-механические и эксплуатационные свойства деталей машин и инструмента за счет активизации максимально возможного количества упрочняющих механизмов, но и заменить дорогостоящие легированные стали на более дешевые и доступные, обеспечить экономию энергоресурсов и расходных материалов, сократить длительность процессов и повысить эффективность обработки, по сравнению с традиционными методами упрочнения конструкционных и инструментальных сталей.

Целью настоящей работы является разработка новых высокоэффективных ресурсосберегающих технологий поверхностного упрочнения углеродистых сталей с использованием лазерной и химико-термической обработки для формирования функциональных модифицированных слоев и повышения эксплуатационных свойств стальных деталей различного назначения.

Научная новизна

1. Установлены закономерности влияния лазерной обработки на структуру, фазовый состав, микротвердость, остаточные напряжения, прочность и износостойкость модифицированных поверхностных слоев углеродистых сталей.

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

3. 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.

4. Установлены закономерности влияния технологических параметров комбинированной обработки высокоуглеродистых сталей на структуру, фазовый состав, микротвердость, остаточные напряжения, прочность и износостойкость модифицированных поверхностных слоев. Показано, что азотирование лазерно-легированного слоя не снижает поверхностной твердости, повышает теплостойкость до 600ºС, устраняет неблагоприятные растягивающие остаточные напряжения на границе зоны термического влияния с основным металлом и повышает износостойкость.

5. Предложен новый способ двухстадийной технологии модифицирования поверхности конструкционных сталей, включающий локальное лазерное легирование и металлизацию в атмосфере аммиака, позволяющий получать металлизированный слой толщиной до 140 мкм в течение 3 часов при температуре 700ºС. 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 γ→α превращения в присутствии азота в насыщающей среде.

Практическая значимость и реализация результатов работы

Разработаны технологические варианты для формирования функциональных модифицированных слоев и повышения эксплуатационных свойств стальных деталей различного назначения:

· Поверхностное легирование углеродистых сталей с использованием лазерного нагрева;

· Комбинированная обработка высокоуглеродистых сталей, заключающаяся в лазерном легировании с последующим азотированием;

· Двухстадийная технология модифицирования поверхности конструкционных сталей, заключающаяся в локальном лазерном легировании с последующей термодиффузионной металлизацией в атмосфере аммиака.

· Комплексное модифицирование поверхности конструкционных сталей, сочетающее двухстадийную технологию металлизации и азотирование.

Определены рациональные диапазоны технологических параметров обработки (мощность и скорость перемещения лазерного луча, тип легирующего элемента, температура и длительность термодиффузионной металлизации и азотирования) для формирования модифицированных слоев заданного строения и толщины и обеспечения требуемых свойств поверхности деталей различного назначения.

Показана возможность применения разработанных технологий для упрочнения изделий из конструкционных и инструментальных сталей. Применение такой обработки обеспечивает повышение прочности, твердости и износостойкости поверхности деталей. Разработанные технологии защищены двумя патентами на изобретение № 000 и № 000, приоритет от 01.01.01 года.

Технология двухстадийной металлизации конструкционных углеродистых и низколегированных сталей прошла промышленное опробование на заводе «. Испытания ползунов для автомобиля БМ 5551, изготовленных из стали 40 и упрочненных по разработанной технологии, показали увеличение ресурса обработанных деталей в 2,5 раза.

Технология комбинированного поверхностного упрочнения углеродистых сталей лазерным легированием с последующим азотированием прошла промышленное опробование на Людиновском тепловозостроительном заводе. В процессе эксплуатации штампа, оснащенного инструментом, упрочненным по комбинированной технологии, было показано, что стойкость инструмента увеличилась в 1,5 - 2,5 раза по сравнению со стойкостью инструмента, изготовленного по стандартной технологии.

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.

Апробация результатов работы

По теме диссертации опубликовано 14 печатных трудов, в том числе 2 патента. Основные положения диссертации изложены и обсуждены на 16-м международном симпозиуме «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» им. (г. Ярополец, 2010г.); на Международной научно-методической конференции «Современные проблемы технологий конструкционных материалов и материаловедения» (г. Харьков, 2009г.); на 7-й Международной конференции «Инновации в науке и образовании 2009» (г. Калининград); на 12-й Международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении» (г. Брянск, 2010г.); на 3-й научно-технической конференции по термической обработке «Новые стали для машиностроения и их термическая обработка» (г. Тольятти, 2011г.); на научно-технической конференции, посвященной 5-летию научной и научно-технической деятельности ЦФМК в » 2011г; на научно-методических и научно-исследовательских конференциях МАДИ (65-й (2007г.), 66-й (2008 г.), 67-й (2009 г.), 68-й (2010 г.), 69-й (2011г.), 70-й (2012г.)).

Работа выполнялась на кафедре металловедения и термообработки Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ) в соответствии с планами научно-исследовательских работ. Отдельные этапы работы выполнялись в рамках НИР:

· «Теория и практика модифицирования поверхности металлов с использованием лазерных технологий и ультразвука» в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на годы.

· Создание научно-методологического комплекса для управления наноструктурой поверхностного слоя металлов методами химико-термической обработки» в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на годы.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения 7 глав, библиографического списка из 92 источников. Работа содержит 160 страниц основного текста, 67 рисунков, 21 таблицу. В приложениях содержатся акты опробования результатов работы и копии патентов.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1 посвящена анализу процессов химико-термической обработки сталей, целью которых является формирование на поверхности стальных изделий функциональных модифицированных слоев с высоким комплексом физико-механических свойств. Изучены вопросы диффузионного насыщения сталей различными легирующими элементами, а также возможности комплексного легирования поверхности. Важным преимуществом таких процессов является возможность замены дорогостоящих высоколегированных сталей на более доступные и дешевые без снижения, а в ряде случаев с повышением их физико-механических свойств.

Проведенный анализ показал положительное влияние термодиффузионной металлизации на твердость, износостойкость, коррозионную стойкость, контактную выносливость, сопротивление усталости и другие свойства изделий. Существенным недостатком рассмотренных методов является большая продолжительность технологических процессов. Повышая температуру на один градус можно увеличить скорость диффузии на 1-3%, однако перегрев насыщаемых сталей вызывает ухудшение прочностных характеристик. Металлизацию при меньших температурах проводят в расплавах металлов и солей, но для формирования диффузионного подслоя проводится отжиг при температуре 1000°С, при этом не всегда удается получить одинаковую толщину покрытия. Кроме того, такие технологии не отвечают современным требованиям экологической безопасности. В зависимости от типа насыщающего элемента для получения модифицированных высоколегированных слоев толщиной до 100 мкм процессы проводятся при температуре 1°С в течение не менее 6-8 часов.

Анализ источников показал, что одним из прогрессивных методов модифицирования стальной поверхности является легирование с использованием высококонцентрированных источников энергии, в том числе лазерное легирование. Достоинством этого метода является возможность бесконтактно, быстро и строго дозировано передавать энергию на поверхность обрабатываемого материала. После лазерной обработки значительно повышается твердость и износостойкость сталей, в особенности содержащих карбидные, нитридные или боридные фазы. Лазерное легирование позволяет значительно сократить расход дорогостоящих легирующих элементов. Особенностью лазерной обработки является возникновение неблагоприятных растягивающих остаточных напряжений на границе зоны лазерного воздействия с основным металлом, что ограничивает области применения лазерных технологий и сдерживает их дальнейшее развитие в инженерии поверхности. Это обусловлено возникновением трещин в процессе эксплуатации изделий при усталостном нагружении. Устранить неблагоприятные растягивающие напряжения после лазерной обработки можно путем нагрева, однако при этом снижается эффект упрочнения.

В литературе имеются сведения о напряженном состоянии поверхности после лазерного легирования малоуглеродистых сталей. Однако практически не изучено влияние лазерного легирования на характер распределения остаточных напряжений на поверхности высокоуглеродистых сталей, в которых эффект увеличения объема при мартенситном превращении, а следовательно, и уровень остаточных напряжений существенно выше, чем у малоуглеродистых сталей.

Другим известным видом химико-термической обработки является азотирование. Азотирование широко применяется для упрочнения разнообразных легированных сталей и сплавов, деталей машин и инструмента, работающих в различных условиях эксплуатации. Азотирование повышает твердость поверхностного слоя стальных деталей, его износостойкость, предел выносливости и сопротивление коррозии, кавитационную стойкость и т. д. Анализ источников показал, что для деталей, работающих при больших удельных нагрузках на износ, в условиях усталости и при повышенных температурах, необходим азотированный слой с развитой зоной внутреннего азотирования без хрупкого нитридного слоя. Многие легирующие элементы, находящиеся в стали, увеличивают растворимость азота в железе и образуют нитриды, способствуя формированию зоны внутреннего азотирования и сдерживая образование хрупкого слоя ε-фазы. Таким образом, азотирование сталей с предварительно легированной поверхностью является перспективным с точки зрения формирования многофазных структур, реализации многих упрочняющих механизмов и получения требуемого комплекса физико-механических свойств. Кроме того, нагрев, сопровождающий процесс азотирования позволит устранить неблагоприятные остаточные напряжения после лазерной обработки.

В связи с изложенным целью работы является разработка высокоэффективных, ресурсосберегающих, экологически безопасных, комбинированных упрочняющих технологий для формирования на поверхности углеродистых сталей функциональных высоколегированных слоев с оптимальными физико-механическими свойствами для различных групп деталей машин и инструмента.

Глава 2 содержит сведения о материалах, оборудовании и методиках проведенных исследований. Для исследования использовали образцы из армко-железа, стали 20, 40Х, У8, У10. Для легирования поверхности образцов использовали порошки Cr, V, Nb, Mo, W, Al и Ti. Их наносили на поверхность в виде суспензии, состоящей из легирующих элементов и связующего вещества – цапонлака, количество которой контролировалось весовым методом. Поверхностное легирование при лазерном нагреве осуществляли путем оплавления участков поверхности металла совместно с предварительно нанесенной на них суспензией. Для этих целей использовали оптоволоконный лазер непрерывного действия с мощностью излучения до 600 Вт при скорости перемещения лазерного луча от 2 до 30 мм/с и лазер импульсного действия «Квант-15» с мощностью излучения до 15 Дж. Азотирование проводили при температуре С в атмосфере частично диссоциированного аммиака. Продолжительность насыщения варьировали от 3 до 6 часов. Азотирование осуществляли на экспериментальной установке конструкции МАДИ. Термодиффузионную металлизацию проводили при температуре 7000С…10000С в атмосфере аммиака из шликерной обмазки, состоящей из порошка легирующего элемента, галогенида (или CrCl2 или NH4Cl), активированного угля и связующего вещества (цапонлак) на экспериментальной установке конструкции МАДИ с муфельной печью СНОЛ 116-12-М3. Металлографические исследования микроструктуры упрочненных слоев проводили с использованием инвертированного микроскопа AXIOVERT-25CA. Микротвердость измеряли по ГОСТ 9450-76 на микротвердомере ПМТ-3 при нагрузке 0,49 Н. Микрорентгеноспектральный анализ и исследования микроструктуры при больших увеличениях проводили на сканирующем электронном микроскопе VEGA Tescan II с приставкой Inca X64. Концентрацию легирующих элементов в зоне лазерного воздействия определяли с поверхности поперечных шлифов на микрорентгеноспектральном анализаторе "Суперпроб-704" при непрерывном сканировании зонда. Исследование распределения легирующих элементов и азота проводили на сканирующем микрорентгеноспектральном анализаторе «Link-System». Фазовый состав определяли рентгеноструктурным методом на установке ДРОН-3 и электрографическим методом Кирлиана.

Исследования остаточных напряжений в поверхностном слое проводили рентгеновским методом многократных наклонных съемок, основанном на измерении деформации кристаллической решетки и последующем расчете соответствующих напряжений.

Исследования прочностных характеристик проводили по методике Московского энергетического института (технического университета) на приборе МЭИ-Т7, которая заключается в измерении твердости по Бринеллю алмазным индентором диаметром D=0,4 мм, под нагрузкой Р=30D2= 30х0,16=4,8 кг, временем выдержки 5с и последующем переводе твердости в значения НВ для индентора диаметром D=1 мм с учетом масштабного фактора. Значения предела прочности σВ определяли по аналитическим зависимостям перевода значений твердости НВ1/30/5 в значения σВ.

Износостойкость изучали на экспериментальной установке для исследования трибологических свойств материала по схеме ролик-колодка в условиях сухого трения.

Глава 3 содержит результаты исследований влияния поверхностного легирования углеродистых сталей 20, У8, У10 с использованием лазерного нагрева на структуру, фазовый состав и микротвердость упрочненного слоя.

Регулируемыми технологическими параметрами при лазерном легировании являются плотность мощности лазерного излучения и количество суспензии (ρ), содержащей легирующий элемент. Исследования показали, что при малых скоростях (V= мм/с) толщина легированного слоя составляет 900…1000 мкм. С увеличением скорости движения луча до 30 мм/с размеры легированных зон уменьшаются до 200 …300 мкм, что объясняется уменьшением длительности температурного воздействия на поверхность (рис. 1). Скорость перемещения лазерного луча также существенно влияет на структурообразование упрочненного слоя на поверхности углеродистых сталей. При скоростях перемещения лазерного луча от 5 до 10 мм/с в поверхностном слое сталей 20 и У8 образуется однородная сверхмелкозернистая структура с равномерным распределением легирующего элемента в ванне расплава. С увеличением скорости перемещения лазерного луча в структуре появляется мелкоигольчатый мартенсит, а в стали У10 наблюдается выделение мелкодисперсных карбидов (рис. 3а). Микротвердость мало- и среднеуглеродистых сталей после лазерного легирования составляет 4000…7500 МПа, а высокоуглеродистых – 7200…12000 МПа (рис. 2).

На рис. 2 видно, что в сталях, подвергнутых лазерной обработке в непрерывном режиме излучения со скоростью перемещения лазерного луча менее 10 мм/с, наблюдается ступенчатое изменение микротвердости.

Рис. 1. Влияние скорости перемещения лазерного луча на толщину легированного слоя на стали У10, P=600 Вт, ρ=24 мг/см2

А при лазерной обработке со скоростью выше 10 мм/с под легированным слоем, наблюдается скачкообразное увеличение микротвердости до значений, превышающих твердость мартенсита, характерную для упрочняемой стали. Это вызвано диффузией углерода в зону термического влияния (ЗТВ) вследствие значительного температурного градиента. Такой характер изменения микротвердости на границе зоны переплава с основным материалом косвенно указывает на возникновение в зоне термического влияния значительных по величине внутренних напряжений.

а) б) в)

Рис. 2. Микроструктуры и распределение микротвердости по толщине упрочненной зоны стали У10 после легирования ванадием в непрерывном режиме излучения при различных скоростях перемещения лазерного луча: а – 5 мм/с; б – 10 мм/с; в – 25 мм/с; Р=600Вт, х100

Концентрация Cr, V, Ti и Nb в поверхностном слое после лазерного легирования малоуглеродистых сталей составляет 15…25% (по массе) (рис 3б). В соответствии с диаграммами состояний при таких концентрациях возможно выделение σ - фаз. Однако рентгеновским методом присутствие σ – фаз не обнаружено, что свидетельствует об образовании твердого раствора и равномерном распределении легирующих элементов в зоне лазерного воздействия. Концентрация Мо и W после лазерного легирования в непрерывном режиме излучения составляет 5..8 % (по массе). Концентрация Al в зоне легирования при обработке непрерывным лазером не превышает 5 % (по массе), что существенно меньше концентраций, при которых возможно выделение интерметаллидных фаз в системе Fe-Al.

Исследования фазового состава легированной поверхности методом рентгеноструктурного анализа показали, что в большинстве случаев в малоуглеродистых сталях в зоне лазерного воздействия образуются твердые растворы замещения легирующих элементов в железе, а в высокоуглеродистых - мелкоигольчатый мартенсит с выделением мелкодисперсных карбидов.

а) б)

Рис. 3. Микроструктура поверхностного слоя стали У8, легированного ниобием (х10000) – а; распределение ниобия в зоне расплава – б