Введение
Для повышения работоспособности нагруженных деталей и узлов машиностроения требуются материалы, обладающие новыми свойствами. Применение специальных лазерных методов модифицирования позволяет получить в поверхностном слое материалов квазинаноструктуры (КНК).
Исследования авторов [1–3] показали, что с помощью лазерной поверхностной обработки можно создавать слои с мелкодисперсной структурой. Существенным фактором, влияющим на структуру поверхностного слоя, является скорость охлаждения. При малых скоростях охлаждения 102 К/с формируются крупные зерна с плоскими границами и ячеистые зерна. Возможно присутствие крупных дендритов. С увеличением скорости охлаждения на поверхности, где достигается наибольшее переохлаждение, наблюдается мелкая равноосная структура, что связано с увеличением числа центров образования зародышей. При скоростях 105–106 К/с скорость роста кристаллов достигает своего максимума, при этом формируются столбчатые зерна, однако вторичные оси дендритов исчезают. При охлаждении со скоростью более 106 К/с скорость роста кристаллов замедляется, и на поверхности наблюдается мелкокристаллическая структура с плоским фронтом зерен, при этом дендриты вырождаются. Считается также, что в интервале скоростей охлаждения 103–104 К/с имеет место непрерывное уменьшение размеров дендритов и их осей, зерно по химическому составу становится однородным, что может привести к изменению многих свойств сплава [4].
Квазинаноструктуры являются промежуточными между аморфными и микрокристаллическими структурами. На рентгенограмме подобных материалов практически отсутствуют следы кристаллической структуры. Однако в структуре поверхностного слоя, вместе с тем, наблюдаются мелкие кристаллиты размером менее 1 мкм. Вследствие более высокой однородности такого материала по сравнению с полученными обычными способами наблюдается уменьшение скорости коррозии [5], более высокая степень нестабильности образованных структур, а большее количество дефектов позволяет получать повышенную твердость и износостойкость [6].
Исследованию свойств КНК слоев и применимости метода лазерной обработки для получения материалов с поверхностной КНК структурой посвящена данная работа.
Материалы и методика эксперимента
Работы по созданию КНК слоев композиционных материалов проводились на сталях 20, 45, 40Х, бронзах БрАЖНМц9-4-4-1, БрАМц9–2.
Использовались отечественные лазерные технологические установки (ЛС-2, ЛТ 1–2, МТЛ-4) мощностью 0,5–10,0 кВт. Лазерная обработка проводилась при диаметре пятна 0,5–6,0 мм, скорости обработки от 0,001 до 10 м/с. Для обработки образцов была разработана оснастка, представляющая собой шестигранник с устройством крепления образцов. Образцы представляли собой плоские пластины толщиной 2–15 мм.
Исследование структуры выполняли с применением металлографического, рентгеноструктурного, рентгеноспектрального, электронно-микроскопического методов.
Для определения характеристик сопротивляемости разрушению упрочненного образца испытывались плоские и круглые образцы на растяжение по ГОСТ 1497-73 и плоские образцы на загиб. Испытывались также и ударные 1
типа по ГОСТ 9454-78 образцы с лазерной обработкой U-образного надреза с целью определения влияния модифицирования на склонность к охрупчиванию сплавов. Определение твердости производилось с помощью прибора ПМТ-3 при нагрузке 0,19, 0,49 и 0,98 H по ГОСТ 9450 на поперечных шлифах.
Металлографические исследования выполнялась с помощью микроскопа «НЕОФОТ-21» при увеличении от 50 до 1000. Для определения микроструктуры использовалось травление сталей в растворе азотной кислоты.
Электронно-микроскопический анализ осуществлялся на установке Philips, работающей путем формирования телевизионной развертки при сканировании поверхности разрушения электронным зондом в режиме вторичных электронов с последующей компьютерной обработкой полученных данных; электронная микроскопия — на приборе РЭМ 535, рентгеноструктурный анализ — на рентгеновском дифрактометре ДРОН-УМ2 в фильтрованном Сu — К? излучении, рентгеноспектральный анализ — на установке Соmеbаx, Оже-спектроскопия — на Оже-спектрометре JAMP-10S, работающем по принципу взаимодействия первичного рентгеновского излучения потока электронов с атомами исследуемого элемента и последующего анализа энергии вторичного рентгеновского излучения.
Фрактография изломов проводилось на образцах сечением 5х5 мм.
Метод внутреннего трения применялся для определения микропластичности материала с поверхностно упрочненным слоем, а также для исследования демпфирующей способности некоторых сталей. Исследования проводились на установке ЛПИ.
Исследования износостойкости выполнялись на машине «Шкода-Савина» при трении ролика по исследуемым материалам при наличии смазки при нагрузке 200 Н и скорости вращения ролика 700 об/мин.
Испытания при трении «металл — металл» проводили на стенде СИТ-3, определяя износ и коэффициент трения. А исследование антифрикционных свойств — также на машинах ЛПИ и МИ-1 М при трении столбиков по кольцу и
буксы — по образующей поверхности кольца.
Определение условий образования квазинаноструктурного слоя
Для получения ультрамелкодисперсной структуры с размером зерна 0,1 мкм необходимо, чтобы при кристаллизации расплава скорость роста зародышей была много меньше скорости образования центров кристаллизации (1). Для этого нужна большая степень переохлаждения расплава, что возможно при лазерной обработке. Переохлаждение расплава зависит от скорости лазерной обработки и плотности мощности лазерного луча. Очевидно, чтобы достичь высоких скоростей охлаждения расплава необходима высокая скорость обработки, а для получения высоких температур в ванне расплава — высокая плотность мощности источника.
Исследование квазиквазинаноструктурных поверхностных слоев
Известно, что при лазерной обработке с оплавлением поверхности при увеличении скоростей обработки от 0,02 до 10 м/с размер зерна в зоне оплавления изменяется для стали 40 Х от 15–20 до 0,1– 0,5 мкм (рис. 1, 2).
Из приведенных данных видно, что при одинаковых параметрах обработки дисперсность структуры бронзы БрАЖНМц9-4-4-1 выше, чем стали 40Х, что объясняется более высокой теплопроводностью бронзы и, следовательно, более высокими скоростями охлаждения. На рис. 4 представлены фотографии микроструктур зоны оплавления бронзы БрАЖНМц9-4-4-1 при скоростях обработки 0,02, 1,0 и 2 м/с. При скорости обработки 0,02 м/с наблюдается ориентированная вдоль направления теплоотвода структура с размерами зерен 1–5 мкм. При скорости обработки 2 м/с структура зоны оплавления не выявляется в оптическом микроскопе при увеличении до 1000х, т. е. размер зерна становится меньше 0,1 мкм. Фазовый рентгеноструктурный показал (рис. 3), что при увеличении скорости обработки происходит размытие рефлексов от кристаллографических плоскостей, и при скорости 2 м/с наблюдается гало, т. е. материал становится рентгеновски аморфным. Следует отметить, что толщина не травящегося (КНК) слоя при мощности излучения 2,5 кВт составляет для бронзы БрАЖНМц9-4-4 120–25 мкм. Микроструктура этого слоя представлена на рис. 5.
Рис. 1. Зависимость среднего размера зерна от скорости лазерной закалки из расплава для стали 40 Х и бронзы Бр АЖНМц9-4-4-1
Рис. 2. Зависимость среднего размера зерна от скорости лазерной закалки из расплава при применении модифицирующих добавок для стали 40 Х и бронзы Бр АЖНМц9-4-4-1
Рис. 3 Размытие дифракционных линий при лазерной поверхностной обработке из расплава БрАЖНМц9-4-4-1
Рис. 4 Структура бронзы после лазерной закалки из жидкого состояния при скорости обработки 0,02 и 1 м/с.
Рис. 5. Микроструктура слоя КНК для бронзы БрАЖНМц9-4-4-1
Рис. 5. Микроструктура стали 40Х после лазерной поверхностной обработки поверхности. Увеличение Х1000
Увеличение глубины обработанного слоя может быть достигнуто за счет повышения мощности лазерного излучения. Поскольку промышленностью выпускаются серийные лазерные установки с мощностью излучения до 5 кВт, целесообразно опробовать поверхностную обработку именно на них. С этой целью для обработки стали использовался аморфный порошок системы Fe-Ni-B-P, а при обработке бронзы БрАЖНМц9-4-4-1 — порошок Zr. В результате исс-ледования структур, получаемых при лазерном переплаве с использованием указанных добавок, было установлено, что КНК-слои образуются при скоростях в 10–15 раз меньших, чем при закалке из расплава без применения присадок (рис. 1). Это позволит увеличить толщину слоев с КНК-структурой: до 100–150 мкм для стали 40Х и до 70–80 мкм для бронзы при мощности излучения 2,5 кВт.
Для стали 40Х при мощности излучения 2,5 кВт предельная скорость, приводящая к плавлению поверхности, составляет 2,0 м/с, однако, как видно из рис. 5, размер зерна при этом значительно выше 0,1 мкм (0,5–1,0 мкм). Как показали металлографические исследования, КНК-слой на поверхности стали 40Х, образованный при обработке лазерным излучением мощностью 2,2 кВт и скоростью обработки 1,5 м/с, не превышал 50 мкм.
Исследование механических свойств квазиквазинаноструктурной КНК поверхностного слоя
Твердости КНК-слоев представлены в таблице 1.
Таблица 1. Микротвердость КНК-слоев
Материал основыСталь 40ХН2Бронза БрАЖНМц-9-4-4-1Материал присадкиNi-B-P-SiZrМикро-твердость 98005600
Исследования механических свойств поверхностных слоев проводилось при трехточечном изгибе плоских образцов. Результаты приведены в таблице 2.
Таблица 2. Механические свойства КНК-слоя
Варианты Предел текучести Временное
сопротивление Остаточные
напряжения МПаМПаМПаNi-B-P-Si 1000+50 1050+200+50
Общие остаточные напряжения определялись методом измерения стрелы прогиба до и после обработки. Уточнение значений остаточных напряжений производилось с помощью сравнения диаграмм сжатия и растяжения поверхностного слоя.
Видно, что значения остаточных напряжений в КНК-слоях зависят от состава присадочных материалов. Основной вклад в возникновение остаточных напряжений при образовании КНК-слоя вносит процесс первичного нанесения
покрытий.
Исследование коррозионных свойств материалов деталей, работающих в морской воде
Анодные поляризационные кривые снимались потенциодинамическим методом в 0,5 Н растворе NaCl.
Результаты электрохимических исследований на образцах из стали 40Х в исходном состоянии и из стали 40Х с квазинаноструктурным слоем (КНК) практически одинаковы. Однако отмечается снижение скорости коррозии в 2 раза на первом этапе коррозионного разрушения у образцов, подвергнутых лазерной закалке. После повреждения первоначального слоя с лазерной обработкой скорость коррозии выравнивается.
В случае бронзы марки БрАЖНМц9-4-4-1 также можно сказать, что на электрохимические характеристики бронзы лазерная обработка существенного влияния не оказывает, данные приведены в таблице 3. Так, скорость струевой коррозии, избирательной и общей коррозии находятся на том же уровне, что и исходное состояние.
Таблица 3. Коррозионные свойства и износостойкость БрА9Ж4 Н4 до и после лазерной обработки
Вид коррозииИсходное состояниеЛазерная
закалкаЛазерная обработка с КНК-слоемОбщая коррозия г/кв.м х час2,63,22,0Избирательная коррозия мкм/часотсутствует11,4отсутствуетСтруевая коррозия г/кв.м х час4,17,13,2
Исследование триботехнических свойств поверхностного слоя с квазинанокристаллической структурой
Износостойкость материалов с поверхностным КНК-слоем приведена в таблице 4. Видно, что материалы с КНК-структурой обладают повышенной износостойкостью. Так, зафиксировано, что при трении твердосплавного ролика по бронзе с легированным слоем Zr она обладает износостойкостью в 3,4 раза выше, чем исходная бронза, и в 3 раза выше, чем после лазерной термической обработки.
Таблица 4. Износостойкость КНК-слоёв на БрАЖНМц9–4-4–1
Время износа, мин.ИЗНОС, мкм
Состояние
поверхностного слоя
Закалка
и отпускМодифицирование
с использованием присадокЛазерная
закалка
из расплава115710622247401233322651574375952455427125289
Структура износа материала после лазерной обработки без применения присадок представлена на рис. 6.
Видно, что в поверхностном слое наблюдается перекристаллизация поверхностного слоя бронзы, связанная,
вероятно, с локальным нагревом поверхности при трении. В случае присутствия циркония подобной перекристаллизации не обнаруживалось, с чем и связано различное поведение материала при трении. КНК-слой на бронзе оказался в 15 раз более износостойким, чем исходная бронза.
Рис. 6. Структура поверхностного слоя, полученного при трении о твердосплавный ролик в течение 7 мин. испытаний
Испытания в натурных условиях показало работоспо-собность однородных пар трения в условиях сухого трения (таблица 5).
Таблица 5. Характеристики работоспособности в эксплуатационных условиях сухого трения (пищевая промышленность)
Материал
парВид
упрочненияМикро-
твердость, Нм50
Толщина,
мкм
Нагрузка
трения, МПа
Путь
трения, кмКоэффициент тренияИзнос40хУМД ЛМ1200/1200300305 км0,16-0,342,8 мкм40х-БрОФ 6,5-0,15ТВЧ (40х)150/780300030неработоспособен
Такое поведение материала объясняется с помощью ранее представленной модели трения [7], где величина устанавливаемой микронеровности соответствует размеру структурной неоднородности. Чем меньше эта структурная неоднородность, тем меньше напряжения в поверхностном слое, больше надежность работы.
На практике метод был использован при упрочнении деталей арматуры ответственного назначения с давлением до 40 МПа. Результатом внедрения стало производство детали направляющих в условиях ограниченной смазки и детали роторной машины, работающей в условиях сухого трения, а лазерная закалка из расплава уплотнительного поля диска клинкетной задвижки обеспечила повышение работоспособности узла затвора в 2 раза.
д. т.н. С. Ю. Кондратьев
к. т.н. А. Е. Вайнерман
В. О. Попов
Литература
- Григорьянц А. Г., Сафонов А. Н. Основы поверхностной лазерной обработки. М. Высшая школа, 1987, 192 с.
- Григорьянц А. Г., Сафонов А. Н. Лазерная техника и технология. Методы поверхностной лазерной обработки. М. Машиностроение, 1985 г. 23.с.
- 3. Григорьянц А. Г., Сафонов А. Н., Басков А. Ф. Получение металлокерамических и аморфных структур на поверхности массивных образцов с помощю непрепывного СО2 лазера МиТОМ 1985, № 11, с. 17–20
- 4. Cui Chengyun. Formation of nano-crystal and amorfous phases of stainless steel by Nd: YAG pulsed laser irradation//J. Apple Surface Sci.2008. Vol 254, № 21, p. 5779–6782
- 5. The prevention of IGSCC in in sentied steel by laser surface melting/ J. Steward D. B. Weels P. M. Scott A. Bransden//Corrosion 1990. Vol. 46, N 8, 618–620.
- 6. Bergman H. W., Mordoke B. L. Laser and electon beam melted amorfous layers//Mater. Science 1981. V.16, N4, p. 863–865.
- 7. Попов В. О., Живушкин А. А., Попова И. П. Модель и напряженное состояние приповерхностного слоя при трении. Вопросы материаловедения 2001, No2 (26), стр. 174–177.