Введение: квазинаноструктуры для машиностроения
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 показали, что с помощью лазерной поверхностной обработки можно создавать слои с мелкодисперсной структурой.
Влияние скорости охлаждения на структуру
Существенным фактором, влияющим на структуру поверхностного слоя, является скорость охлаждения:
| Скорость охлаждения | Структура | Характеристики |
|---|---|---|
| 10² К/с | Крупные зерна с плоскими границами | Ячеистые зерна, возможны крупные дендриты |
| Увеличение скорости | Мелкая равноосная структура | Увеличение числа центров образования зародышей |
| 10⁵–10⁶ К/с | Столбчатые зерна | Максимальная скорость роста кристаллов, исчезновение вторичных осей дендритов |
| >10⁶ К/с | Мелкокристаллическая структура | Плоский фронт зерен, вырождение дендритов |
| 10³–10⁴ К/с | Уменьшение размеров дендритов | Однородность по химическому составу |
Характеристики квазинаноструктур
Квазинаноструктуры являются промежуточными между аморфными и микрокристаллическими структурами.
Особенности КНК:
- На рентгенограмме практически отсутствуют следы кристаллической структуры
- Наблюдаются мелкие кристаллиты размером менее 1 мкм
- Более высокая однородность по сравнению с обычными материалами
- Уменьшение скорости коррозии
- Повышенная нестабильность образованных структур
- Большее количество дефектов обеспечивает повышенную твердость и износостойкость
Материалы и методика эксперимента
Исследуемые материалы
Работы по созданию КНК слоев композиционных материалов проводились на:
- Сталях: 20, 45, 40Х
- Бронзах: БрАЖНМц9-4-4-1, БрАМц9–2
Лазерное оборудование
Использовались отечественные лазерные технологические установки:
- ЛС-2
- ЛТ 1–2
- МТЛ-4
Параметры обработки:
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Мощность | 0,5–10,0 кВт |
| Диаметр пятна | 0,5–6,0 мм |
| Скорость обработки | 0,001–10 м/с |
| Толщина образцов | 2–15 мм |
Методы исследований
Исследование структуры выполняли с применением:
- Металлографического анализа (микроскоп «НЕОФОТ-21», увеличение 50–1000х)
- Рентгеноструктурного анализа (дифрактометр ДРОН-УМ2)
- Рентгеноспектрального анализа (установка Comebax)
- Электронно-микроскопического анализа (Philips, РЭМ 535)
- Оже-спектроскопии (спектрометр JAMP-10S)
Механические испытания
Для определения характеристик сопротивляемости разрушению:
- Испытания на растяжение (плоские и круглые образцы по ГОСТ 1497-73)
- Испытания на загиб (плоские образцы)
- Ударные испытания (образцы типа 1 по ГОСТ 9454-78 с U-образным надрезом)
- Определение твердости (прибор ПМТ-3, нагрузка 0,19; 0,49 и 0,98 Н по ГОСТ 9450)
Триботехнические испытания
Исследования износостойкости выполнялись:
- На машине «Шкода-Савина» (трение ролика по материалам со смазкой, нагрузка 200 Н, скорость 700 об/мин)
- На стенде СИТ-3 (трение «металл — металл»)
- На машинах ЛПИ и МИ-1М (антифрикционные свойства)
Условия 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.
Для этого нужна большая степень переохлаждения расплава, что возможно при лазерной обработке.
Факторы влияния:
- Переохлаждение расплава зависит от скорости лазерной обработки
- Плотность мощности лазерного луча
- Высокие скорости охлаждения требуют высокой скорости обработки
- Высокие температуры в ванне расплава требуют высокой плотности мощности источника
Исследование квазинаноструктурных 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:
| Материал | Скорость 0,02 м/с | Скорость 10 м/с |
|---|---|---|
| Сталь 40Х | 15–20 мкм | 0,1–0,5 мкм |
| Бронза БрАЖНМц9-4-4-1 | 1–5 мкм | 0,1 мкм |
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.
Влияние скорости обработки
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 анализ показал, 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.
Толщина не травящегося (КНК) слоя при мощности излучения 2,5 кВт составляет для бронзы БрАЖНМц9-4-4: 120–25 мкм.
Применение модифицирующих добавок
Увеличение глубины обработанного слоя может быть достигнуто за счет повышения мощности лазерного излучения.
Для обработки использовались:
- Для стали: аморфный порошок системы Fe-Ni-B-P
- Для бронзы: порошок Zr
КНК-слои образуются при скоростях в 10–15 раз меньших, чем при закалке из расплава без применения присадок.
Это позволяет увеличить толщину слоев с КНК-структурой:
- До 100–150 мкм для стали 40Х
- 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 размер зерна при этом значительно выше 0,1 мкм (0,5–1,0 мкм).
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.
Механические свойства КНК-слоев
Микротвердость
| Материал основы | Материал присадки | Микротвердость, МПа |
|---|---|---|
| Сталь 40Х | Ni-B-P-Si | 9800 |
| Бронза БрАЖНМц9-4-4-1 | Zr | 5600 |
Механические характеристики
| Параметр | Значение | Единица |
|---|---|---|
| Предел текучести | 1000±50 | МПа |
| Временное сопротивление | 1050±200 | МПа |
| Остаточные напряжения | +50 | МПа |
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.
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.
Коррозионные свойства
Сталь 40Х
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.
Бронза БрАЖНМц9-4-4-1
Лазерная обработка не оказывает существенного влияния на электрохимические характеристики бронзы.
| Вид коррозии | Исходное состояние | Лазерная закалка | Лазерная обработка с КНК-слоем |
|---|---|---|---|
| Общая коррозия, г/м²·ч | 2,6 | 3,2 | 2,0 |
| Избирательная коррозия, мкм/ч | Отсутствует | 11,4 | Отсутствует |
| Струевая коррозия, г/м²·ч | 4,1 | 7,1 | 3,2 |
Скорость струевой коррозии, избирательной и общей коррозии находятся на том же уровне, что и исходное состояние.
Триботехнические свойства
Износостойкость
Материалы с КНК-структурой обладают повышенной износостойкостью.
При трении твердосплавного ролика по бронзе с легированным слоем Zr она обладает износостойкостью:
- В 3,4 раза выше, чем исходная бронза
- В 3 раза выше, чем после лазерной термической обработки
КНК-слой на бронзе оказался в 15 раз более износостойким, чем исходная бронза.
Структура износа
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.
Эксплуатационные испытания
Испытания в натурных условиях показали работоспособность однородных пар трения в условиях сухого трения.
| Материал пары | Вид упрочнения | Микротвердость, Нм50 | Толщина, мкм | Нагрузка трения, МПа | Путь трения, км | Коэффициент трения | Износ |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 40х-УМД | ЛМ | 1200/1200 | 300 | 30 | 5 | 0,16-0,34 | 2,8 мкм |
| 40х-БрОФ 6,5 | ТВЧ (40х) | 150/780 | 3000 | 30 | - | - | Неработоспособен |
Такое поведение материала объясняется с помощью модели трения, где величина устанавливаемой микронеровности соответствует размеру структурной неоднородности.
Чем меньше эта структурная неоднородность, тем меньше напряжения в поверхностном слое, больше надежность работы.
Практическое применение
На практике метод был использован при упрочнении деталей арматуры ответственного назначения с давлением до 40 МПа.
Результаты внедрения:
- Производство детали направляющих в условиях ограниченной смазки
- Деталь роторной машины, работающей в условиях сухого трения
- Лазерная закалка из расплава уплотнительного поля диска клинкетной задвижки обеспечила повышение работоспособности узла затвора в 2 раза
Выводы
| Показатель | Результат | Значение |
|---|---|---|
| Размер зерна | 0,1 мкм | Квазинаноструктура |
| Толщина КНК-слоя (сталь) | 100-150 мкм | С присадками |
| Толщина КНК-слоя (бронза) | 70-80 мкм | С присадками |
| Микротвердость (сталь) | 9800 МПа | Высокая |
| Микротвердость (бронза) | 5600 МПа | Повышенная |
| Износостойкость | В 15 раз выше | КНК-слой на бронзе |
| Скорость коррозии | Снижение в 2 раза | На первом этапе |
| Работоспособность узла | Повышение в 2 раза | Узел затвора |
Ключевые преимущества лазерного формирования КНК-слоев:
- Ультрамелкая структура — размер зерна менее 0,1 мкм
- Повышенная твердость — до 9800 МПа для стали
- Высокая износостойкость — в 15 раз выше исходного материала
- Улучшенная коррозионная стойкость — снижение скорости коррозии в 2 раза
- Практическая применимость — повышение работоспособности узлов 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.
- Григорьянц А. Г., Сафонов А. Н., Басков А. Ф. Получение металлокерамических и аморфных структур на поверхности массивных образцов с помощью непрерывного СО2 лазера МиТОМ 1985, № 11, с. 17–20
- Cui Chengyun. Formation of nano-crystal and amorphous phases of stainless steel by Nd: YAG pulsed laser irradiation//J. Appl. Surface Sci.2008. Vol 254, № 21, p. 5779–6782
- The prevention of IGSCC in sensitized steel by laser surface melting/ J. Steward D. B. Weels P. M. Scott A. Bransden//Corrosion 1990. Vol. 46, N 8, 618–620.
- Bergman H. W., Mordoke B. L. Laser and electron beam melted amorphous layers//Mater. Science 1981. V.16, N4, p. 863–865.
- 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.
