Исследование структуры и свойств сталей, подвергнутых лазерному легированию тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

ДНЕПРОДЗЕРЖИНСК!!!* ГОСУДАРСТВЕННЫ^ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ 1 7 ОКТ №96

На правах рукописи КОЗИНА Надежда Николаевна

.//; ту ^

V

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ СТАЛЕЙ, ПОДВЕРГНУТЫХ ЛАЗЕРНОМУ ЛЕГИРОВАНИЮ

0/,

Специальность 01.04.13 - физика металлов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Днепродзержинск 1996

Диссертация на правах рукописи

Работа выполнена в Днепродзержинском государственном техническом университете

Научный руководитель: доктор физико-математических наук[Мирошниченко И.С.|

Научный консультант: кандидат физико-математических наук, доцент Лысенко А.Б.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук Маслов В.В. кандидат физико-математических наук, доцент Башев В.Ф.

Ведущая организация: Донецкий физико-технический институт НАН Украины

Защита диссертации состоится " " 1996г. в _час._мин. на заседании Специализированного ученого Совета

К 08.04.01. при Запорожском государственном университете по адресу: 330600, г.Запорожье, ул.Жуковского, 66

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Запорожского государствешюго университета.

Автореферат разослан " 26 -_СЬ

1996г.

Ученый секретарь Специализированного ученого Совета К 08.04.01., кандидат физико-математических наук

Швец Ю.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Технология лазерного поверхностного легирования представляет собой сочетание микрометаллургического процесса выплавки сплава заданного состава непосредственно на поверхности изделия с последующей сверхбыстрой закалкой оплавленного слоя. В отличие от других известных разновидностей метода закалки из жидкого состояния конечный результат лазерной обработки в гораздо большей степени зависит от природы, а дополнительно и от структурного состояния обрабатываемого материала, что объясняется следующими двумя обстоятельствами.

Во-первых, скорость охлаждения оплавленной лазером зоны лимитируется тепловыми свойствами подложки, поскольку основной поток тепла отводится в ее глубинные слои. Во-вторых, формирование структуры в очаге лазерного воздействия происходит в условиях идеального контакта расплава со структурными составляющими базового материала, которые могут играть активную роль затравочных фаз, предопределяя строение зоны обработки.

Однако, в современных исследованиях физическому пониманию механизмов структурообразования в специфических условиях лазерной сверхбыстрой закалки не уделяют должного внимания. В частности, практически отсутствует информация о влиянии на строение и свойства зоны лазерной обработки исходного структурно-фазового состояния обрабатываемого материала.

Помимо чисто научного интереса, связанного с изучением закономерностей формирования структуры, лазерная обработка приобретает все большую актуальность как эффективный способ улучшения свойств поверхностных слоев технических материалов. Разработанные применительно к сталям режимы лазерного упрочнения в большинстве случаев основаны на использовании фазовых превращений, протекающих в твердом состоянии. В то же время возможности образования предельно метастабильных структурных состояний, заложенные в методах лазерного оплавления и легирования поверхности, в плане их практического использования изучены недостаточно. Это требует постановки дальнейших исследований по выбору оптимальных видов и режи-

мов лазерного упрочнения стальных изделий.

С учетом изложенного были сформулированы цель работы и основные задачи исследования.

Цель работы: изучение механизмов формирования структуры и свойств в поверхностных слоях сталей, подвергнутых лазерному легированию, во взаимосвязи с режимами обработки и структурно-фазовым состоянием матричного материала.

Основные задачи исследования.

1. На примере сталей серийного производства и традиционных видов химико-термичесой обработки изучить специфику структурного состояния и сеойств поверхностных слоев, насыщенных легирующими элементами методом лазерного оплавления порошковых покрытий.

2. Провести комплексные исследования влияния технологических факторов и структурно-фазового состояния матричного материала на геометрические и структурные характеристики, а также свойства зоны лазерного легирования.

3. Основываясь на результатах экспериментальных исследований, выполнить анализ механизмов формирования структуры и упрочнения сталей, подвергнутых лазерному легированию.

4. Установленные закономерности использовать с целью выбора наиболее эффективных видов и режимов лазерного поверхностного упрочнения стальных изделий.

Научная новизна.

1. В работе впервые выполнены комплексные исследования структуры и свойств сталей, насыщенных бором методом лазерного поверхностного легирования, в зависимости не только от технологических факторов, но таете и от структурно-фазового состояния обрабатываемого материала.

2. Впервые получены экспериментальные доказательства активного участия некоторых матричных фаз в процессах кристаллизации оплавленного лазером поверхностного слоя.

3. С использованием метода Оже-электронной спектроскопии впервые изучен характер распределения бора по глубине зоны лазерного легирования и предложен механизм возникновения выявленной зональной ликвации насыщающего элемента.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

1. Получены графические зависимости,связывающие техноло-

гические факторы с геометрическими характеристиками и свойствами зоны лазерного борирования, которые позволяют выбирать условия обработки, обеспечивающие заданные глубину и уровень упрочнения борированной поверхности.

2. Определены показатели твердости и стойкости к абразивному износу для сталей разных марок, подвергнутых лазерному насыщен™ бором.

3. Предложен метод многократного оплавления, сглаживающий проявление структурной неоднородности в лазерно-легированных слоях с высоким содержанием насыщающего элемента.

4. Отработаны технологические процессы лазерного упрочнения дисковых фрез и СЕерл из стали Р6М5, дающие повышение стойкости до 3,7 раз в сравнении с инструментом серийного производства.

5. Результаты структурных исследований испольвоезды в качестве фактической основы методических указаний к лабораторной работе "Влияние лазерной термической обработки на структуру и свойства углеродистых сталей", которая внедрена в учебный процесс в Днепродзержинском государственном техническом университете.

Основные положения диссертационной работы, выносимые на

защиту.

1. При реализации технологии лазерного поверхностного легирования структура зоны лазерного воздействия определяется не только режимами обработки, но обнаруживает также признаки наследственной вваимосвяви с элементами микроструктуры обрабатываемого материала.

2. Результирующая картина распределения насыщающего элемента в нормальном сечении зоны лазерного легирования в основных чертах, складывается под влиянием процессов кристаллизации дендритов твердого раствора, прорастающих от границы оплавления в условиях интенсивного и направленного теплоот-вода.

3. Сочетание относительной однородности микроструктуры с высоким содержанием бора и соответствующим уровнем упрочнения может быть достигнуто методом повторного оплавления лазерно- легированной поверхности.

Апробация работы. Ревультаты исследований докладывались на: III Всесоюзной конференции "Закономерности формирования структуры сплавов эвтектического типа", г.Днепропетровск, май, 1386 г.

Всесоюзной научно-технической конференции "Новые материалы и упрочняющие технологии на осноЕе прогрессивных методов термической и химико-термической обработки в автостроении", Г.Тольятти, сентябрь, 1986 г.

Межреспубликанской конференции "Свойства порошковых материалов и покрытий", г.Волгоград, октябрь, 1989 г.

Межреспубликанском семинаре "Легирование, структура и свойства упрочненных сталей", Г.Киев, март, 1993 г.

Международной конференции "Лазерные и физико-химические методы обработки материалов", Крым, сентябрь, 1995 г.

Международной конференции "Организация и технология ремонта механизмов машин и оснастки", Крым, май, 1996 г.

Личный вклад автора. Представленные в диссертации результаты получены при непосредственном участии автора в постановке и проведении экспериментов, а также в ходе обработки, обобщения и теоретической интерпретации экспериментальных данных, формулировки выводов и основных положений, выносимых на защиту. Объяснение механизмов структурообразования, концентрационного поля и свойств в зоне лазерного влияния является отображением личных представлений автора о закономерностях процессов, развивающихся в поверхностных слоях обрабатываемого материала при реализации технологии лазерного поверхностного легирования.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 научных трудоЕ, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и перечня цитируемой литературы из £ÖG наев. Общий объм работы составил стра-

ниц, в том числе 42 рисунков и 15 таблиц, а также приложения на Ц страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность диссертационной

работы, сформулированы ее цель и задачи. Приведены основные результаты и положения, выносимые на защиту.

В первой главе сделан обзор отечественной и зарубежной литературы по теме диссертации.

Подробно рассмотрены технологические принципы, преимущества, недостатки и области применения различных еидое лазерной обработки, используемых в качестве прогрессивных способов поверхностного упрочнения деталей машин и инструментов. Основное внимание уделено методу лазерного легирования, в частности, поверхностному насыщен™ сталей бором.

Отмечено, что в имеющихся публикациях отсутствует единая точка зрения относительно фазового состава борированных слоев, при интерпретации которого либо прослеживается аналогия с результатами диффузионной химико-термической обработки (РеоВ, РеВ), либо предполагается наличие, наряду с равновесными фазами, метастабильного борида РезВ. Проанализированы вероятные причины отмеченных разночтений и сделан еыеод о необходимости постановки специальных экспериментов по уточнению фазового состава зоны лазерного борирования.

Анализ опубликованных работ по технологии лазерного легирования показывает, что изучение процессов структурообра-зования в обогащенном легирующим элементом поверхностном слое, как правило, осуществляется в отрыве от обрабатываемого материала, то есть, практически без учета его химического состава и структуры. В то же время, согласно авторскому видению проблемы, расположенные на границе оплавления кристаллы матричных фаз могут весьма существенно влиять на процессы затвердевания легированного слоя, предопределяя его конечное строение. Экспериментальное подтверждение такого влияния может дать реальную перспективу прогнозирования фазового состава, микроструктуры и свойств зоны лазерного легирования.

Литературные данные свидетельствуют о многообразии процессов переноса в микроЕанне расплава, ответственных за характер концентрационного поля в легированных поверхностных слоях. В обзоре рассмотрены различные модели, в которых смешивание компонентов при лазерном поверхностном легировании объясняется сочетанием диффузионных и гидродинамических яв-

лений. Однако в рассматриваемых моделях не учитывается тот факт, что на заключительной стадии процесса лазерного легирования в результирующую картину распределения насыщающего элемента вносят вклад и процессы кристаллизации, протекающие в специфических условиях интенсивного и направленного тепло-0ТЕ0да.

Касаясь прикладных аспектов проблемы лазерной обработки, в обзоре рассмотрено Елияние поверхностного легирования на свойства широко применяемых марок инструментальных сталей. Имеющиеся экспериментальные данные приводят к общему заключению о возможности существенного улучшения работоспособности различных еидое инструмента за счет лазерного легирования рабочих кромок упрочняющими компонентами. Тем не менее, нюансы используемых с этой целью технологических решений зачастую сильно отличаются, что свидетельствует о необходимости оптимизации условий обработки применительно к каждой марке стали и каждому конкретному изделию.

На основе выполненного анализа литературных данных сформулированы цель работы и основные задачи, решаемые при ее выполнении.

Во второй главе обоснован выбор исследуемых сталей, приведены условия лазерной обработки, а также описаны методы структурного анализа и измерения прочностных свойсте.

Для изучения предполагаемого влияния матричного материала на процессы структурообразования зоны лазерного легирования использовали три типа сталей, которые отличаются исходным фазовым составом: однофазную со структурой г-раствора (12Х18Н10Т), а также стали с включениями карбидов цементит-ного типа М3С (45, У10, 110Г13) и типа М2зСб (40Х13МЗФ). В качестве легирующего элемента был выбран бор, поскольку в сплавах базовой системы Ре-С-В при определенных соотношениях компонентов возможно образование борокарбидов Рез(С,В) и РегзСС.ВЗб и, следовательно, в процессе лазерного легирования присутствующие в исходной структуре карбиды могут инициировать формирование изоструктурных борсодержащих фаз. Для реализации прикладной части диссертации использовали широко применяемую в промышленности быстрорежущую сталь Р6М5.

Операции лазерного борирования осуществляли путем оплавления порошковой обмзвки, приготовленной на связке из клея БФ-б (10%) и ацетона (90%), излучением непрерывного СО^-лазера. Этот вид обработки выполняли в НПО "Композит" (г.Калининград, Московской области) в рамках договора о научно-техническом сотрудничестве. В различных сериях экспериментов, представленных в третьей и четвертой главах диссертационной работы, лазерную обработку вели либо при фиксированных технологических режимах, либо при изменении толщины обмазки (5) и плотности мощности излучения (Д) в следующих пределах: 6=40*210 мкм; Ч = 5,2-107+Е0,8-107 Вт/м2.

Обработку образцов и инструмента из быстрорежущей стали Р6М5 проводили в импульсном режиме с помощью твердотельного лазера типа ГОС-1001.

Микроструктуру зоны лазерного воздействия выявляли методами оптической (МИМ-7, МИМ-8) и растровой электронной ("СшЬгасЗй'е ЗЬегеозсап 311-10", "БирегргоЬе 733") микроскопии. Химический состав зоны лазерного борирования в плоскости обработки изучали микрорентгеноспектральным методом на приборе "ЗцрегргоЬе 733". Распределение насыщающего элемента по глубине легированного слоя анализировали методом Оже-электронной спектроскопии с помощью прибора "ЛАМР-Ю".

РентгенофазоЕый анализ проводили на дифрактометре ДРОН-3 в монохроматизированных Си}.; - и Рек .-излучениях.

с2» л

Микротвердость замеряли на приборе ПМТ-3 при нагрузке 50 г. В пределах различных структурных зон выполняли не менее 30 замероЕ с последующей статистической обработкой экспериментальных данных.

Испытания на абразивный износ, осуществляли на лабораторной машине трения, в которой легированная поверхность истиралась на шлифовальной бумаге, закрепленной на плоском диске, путем сочетания вращательного движения абразивной поверхности с поступательным движением образцов по диаметру диска. В качестве характеристики износостойкости использовали параметр т), численно равный потерям массы образца за 1 час испытаний, отнесенным к 1 ммг трущейся поверхности.

Отжиг образцов с борированным слоем выполняли в вакуумной печи сопротивления типа СЛВЗ-1.2,5/35 при остаточном

давлении 6,65-10 3 Па.

В третьей главе диссертации на примере сталей с различным фазовым составом исследованы закономерности формирования структуры, концентрационного поля и свойств в зоне лазерного борированиа. При этом основное внимание уделяли вопросу о влиянии исходного структурного состояния обрабатываемого материала на процессы структурообразования в легированном поверхностном слое. Марки исследуемых сталей, режимы их предварительной обработки, а также фаговый состав до и после лазерного борирсванш представлены в таблице 1. Для исключения возможного влияния технологических факторов на строение бо-рированной поверхности Есе образцы данной серии обрабатывали в идентичных условиях: б = 100 мкм; Ч = 7,5-Ю7 Вт/м2.

Таблица 1

Марка стали Режимы исходной термообработки Фазовый состав

закалка отпуск исходное состояние лазерное борирование

12Х18Н10Т вода от - г г+РеаВ+РеВ

1950°С 1

45 вода от 850°С 1 ч при 650°С сс+Рез0 й(г) +Рез(0,В)+Ре£В

У10 вода от еоо°с 1 ч при 180^0 й+РезС «(г)+Рез(С,В)+Ре2В

Г10Г13 вода от 1050°0 — Т+МзС т(а)+М3(С,В)+Ре£В

40X18МЗФ масло от Е ч при

|1000°С 200°С,об оС+М2зСб а (т) +М-23 (С) В) б+РегВ

хол. при -ТО°С,Зч

Результаты металлографического анализа, выполненного в поперечных сечениях лазерных дорожек, показали, что во всех исследуемых сталях микроструктура насыщенных бором поверхностных слоев носит мелкодендритный характер с преимущественной ориентировкой дендритов перпендикулярно границе яегк-

рованной зоны с матрицей (рис. 1а).

Оценка скорости охлаждения, выполненная по величине дендритного параметра, дала значения К/с, которые

подтверждают правомочность отнесения операции лазерного легирования к методам закалки из жидкого состояния.

Микроструктура борированных слоев в плоскости обработки отличается дисперсность» структурных составляющих и ярко выраженной неоднородностью (рис. 1б,в). Характерной особенностью строения насыщенных бором слоев малой толщины являет-

в

Рис. 1. Микроструктура лазерно-борированных сталей:

а, б -сталь 12Х18Н10Т, х340; в-сталъ 45, хЕОО; г-сталь 40Х1ЭМЗФ, х340 рального .анализа установлено, что рассматриваемые образования не содержат металлических компонентов, входящих в состав обрабатываемых сталей. Эти данные в совокупности с рядом косвенных признаков, связанных с местом расположения, разме-

рами, формой, уровнем твердости и ростом вероятности обнаружения частиц по мере увеличения насыщенности легированной зоны, приводят к заключению, что темно-серая фаза представляет собой оплавленные, но не успевшие раствориться в жидком металле микроскопические включения бора.

Согласно данным рентгенофазового анализа, в результате лазерного борирования фазовый состав поверхности существенно усложняется (табл. 1). Отжиги борированных образцов при температурах, превышающих точку распада метастабильного борида РезВ (854 К), свидетельствуют, что в насыщенном бором слое образуются лишь равновесные фазы, разрешенные диаграммами состояния систем Ре-В и Ре-В-С. Причем, в сталях, относящихся к трем исследуемым классам, в 8оне лазерного борирования фиксируется различный фазовый состав, ключевые элементы которого обнаруживают наследственную взаимосвязь со структурными составляющими матричного материала. Так, в образцах стали 12Х18Н10Т, имеющей после предварительной закалки однофазную структуру т-раствора, в легированном поверхностном слое, наряду с аустенитом, рентгенографически выявляется лишь борид основного компонента РегВ. В сталях 45, У10 и 110Г13 с включениями карбида цементитного типа в результате лазерного борирования формируется более сложный фазовый состав, элементами которого являются твердый раствор на основе «-(стали 45, У10) или г-(стань 110Г13) модификации железа, ивоструктурный цементиту борокарбид Мз(С,В), а также борид РегВ. В стали 40Х13МЭФ, содержащей в состоянии исходной термообработки частицы карбвда типа МгзСб, фазовый состав бори-рованной поверхности представлен а-раствором, борокарбидом М2з(С,В)б и соединением РегВ.

Представленные результаты подтверждают справедливость высказанного ранее предложения о том, что при реализации технологии лазерного поверхностного легирования некоторые структурные составляющие обрабатываемого материала могут участвовать в процессах формирования структуры повторно затвердевающего слоя, играя роль затравочных кристаллов. В структуре сталей такими активными фазами, наряду с твердым раствором, являются карбиды при условии их склонности к образованию изоструктурных легированных соединений. Если же

матричные карбидные кристаллы не предрасположены к взаимодействию с насыщающим элементом или вовсе отсутствуют в исходной структуре, то карбидная фаза не участвует в процессах кристаллизации и не выявляется в зоне лазерного легирования, в которой образуются лишь соединения легирующего элемента с осноеным компонентом.

С использованием методов локального рентгеноспектрально-го анализа и Оже-злектронной спектроскопии исследован характер распределения компонентов в зоне лазерного борирования. Показано, что все марочные компоненты исследуемых сталей присутствуют в меньших относительных количествах в легированном слое. Тонкие детали спектральных линий бора и углерода свидетельствуют, что эти элементы образуют с основным компонентом химические соединения. Закономерное уменьшение интенсивности Оже-пиков бора в спектрах, снятых в поперечном сечении легированной зоны на различном удалении от плоскости обработки (рис. 2а), приводит к заключению, что в наибольшей

О 100 200 500 Е,Ш 5 Ю 20 30 Ь,«кн

а б

Рис. 2. Элементы спектров Оже-электронов (а) и график распределения бора по глубине легированной зоны (б) стали 40Х13МЭФ

степени (до -20 ат%) обогашены бором лишь приповерхностные участки толщиной до 10 мкм, в то время как на больших глубинах содержание бора резко снижается и при переходе через границу оплавления падает до нуля (рис. 26).

Зафиксированный характер распределения бора по глубине зоны лазерного легирования может быть объяснен особенностями механизма кристаллизации оплавленного слоя, которая начинается с прорастания из матричных кристаллов дендритов твердого раствора. При этом избыточное количество бора оттесняется быстро растущими дендритами и скапливается в мевдендритных участках, затвердевающих с образованием эвтектики, и, преимущественно, в верхней части зоны обработки, в которой образуются высокобористые фазы. Таким образом, несмотря на то, что фиксируемое в зоне лазерного легирования концентрационное поле является продуктом совместного действия множества различных физических процессов, основное влияние на формирование итоговой картины распределения насыщающего элемента по глубине легированного слоя оказывают процессы кристаллизации с присущими им закономерностями перераспределения компонентов на межфазном фронте, развивающемся в условиях высоких скоростей охлаждения и направленного теплоотвода.

Результаты замеров микротвердости свидетельствуют, что лазерное насыщение поверхности исследуемых сталей бором вызывает значительное упрочнение по сравнению с уровнем свойств в состоянии исходной обработки. Усредненные значения микротвердости борированных слоев на средне- и высокоуглеродистых сталях попадают в интервал 12,0+16,0 ГПа, в то время как борированная низкоуглеродистая сталь 12Х18Н10Т характеризуется твердостью "6,0 ГПа, что объясняется ее более простым фазовым составом. Неоднородность микроструктуры зоны лазерного борирования обусловливает большой разброс свойств в различных участках легированной поверхности.

Графики распределения твердости в поперечном сечении лазерной дорожки (рис.3) иллюстрируют влияние марки стали не только на степень упрочнения борированной поверхности, но и на характер зависимостей Н50 (<3), где сЗ - расстояние от плоскости обработки. Как. видно из представленных графиков, е сталях 45 и 40Х13МЭФ непосредственно под слоем, упрочненным

ва счет насыщения бором, залегает достаточно протяженная зона твердофазной закалки с твердостью -7,5+8,5 ГПа, тогда как в аустенитной стали 12Х18Н10Т, относящейся к разряду неуп-рочняемых термообработкой, микрогвердость резко снижается при переходе от борированного слоя к подложке и в зоне матричного материала остается неизменной.

Рис. 3. Распределение микротвердости в поперечном сечении зоны лазерного борирова-ния сталей: 45 (1); 40Х1ЭМЗФ (2); 12Х18Н10Т (3)

Существенное упрочнение зоны лазерного борирования сопровождается улучшением стойкости исследуемых сталей к абразивному износу. Относительное снижение удельных потерь массы борированных образцов при испытаниях на истирание в сталях разных марок изменяется в пределах от 3 до 10 раз, причем, количественный показатель износостойкости удовлетворительно коррелирует с уровнем твердости поверхности.

В четвертой главе исследовано влияние варьируемых технологических параметров (толщины борсодержащей обмазки 5, выходной мощности лазерного излучения: Р, диаметра пятна фокусировки (Зп, линейной скорости скольжения луча по поверхности V), а также обобщенной энергетической характеристики - плотности мощности лазерного излучения 0, - на строение и сеойс-

тез зоны лазерного борирования в сталях разных марок.

Показано, что глубина насыщенного бором слоя Ь, его структурно-фазовое состояние и прочностные свойства в наибольшей степени зависят от параметров 3 и Ц. При оплавлении легирующих покрытий фиксированной толщины (8-100 мкм) глубина борированного слоя возрастает по мере увеличения плотности мощности излучения, независимо от того, с помощью какого из регулируемых параметров (Р, с1п или V) достигнуто увеличение 0. Если же обработка ведется в условиях постоянства то с ростом толщины обмазки наблюдается монотонное уменьшение глубины зоны лазерного борирования. По результатам данной серии технологических экспериментов построены графические зависимости Ь(5, СО (рис. 4а), практическая ценность которых состоит Е том, что с их помощью можно Еыбирать условия лазерной обработки, обеспечивающие получение борированных слоев наперед заданной глубины.

к

?оо

500

ЧЛ

Г4 •

ч, \с \ Л

V О. \о

о\ \в

Иго,

ГШ

6,0

4,0 2,0

/ А"

/ /V УГ

го юо 1Во йш о № 1Б0 б;мкм

а ' о '

Рис. 4. Зависимость глубины (а) и твердости (б) борированного слоя стали 12Х18Н10Т от основных технологических параметров (5, Ц) процесса лазерного легирования: 1 - Ц-6,й-107 Вт/м"; й - 0,-9,4-Ю7 Вт/м2; 3 - Ц-1г,5-107 Вт/м2.

Металлографические и рентгеноструктурные исследования показывают, что изменения режмов обработки, влекущие рост концентрации бора, усиливают проявления структурной неоднородности легированного слоя и вероятность образования высо-кобористых фаз. Гак, например, при увеличении толщины борсо-держащей обмазки в интервале 40+210 мкм микроструктурная картина легированной поверхности в образцах стали 12Х18Н10Т трансформируется от типично доэвтектической, состоящей из дендритов твердого раствора и незначительной доли эвтектики, до структуры с сильно выраженными признаками неоднородности, содержащей скопления первичных кристаллов РегВ. При этом в дифракционных спектрах борированной поверхности усиливаются линии фазы РегВ, а в образцах, полученных оплавлением обмазки максимальной толщины (210 мкм), появляются и рентгенографические признаки моноборида РеВ.

На примере сталей 45 и У10 показано, что при постоянной толщине легирующего покрытия (5=100 мкм) по мере увеличения плотности мощности излучения в пределах 5,Е-107+"0,8-107 Вт/м2 микроструктура борированных слоев становится более однородной, а плотность первичных выделений высокобористых фаз уменьшается вплоть до полного их исчезновения в такой последовательности: РеВ, ГерВ, Гез(С,В). Наблюдаемые металлографически структурные изменения подтверждаются результатами ренггенофазового анализа, согласно которым наиболее сложный фазовый состаЕ (сс, Рез(С,В), Ре^В, РеВ) с относительно большим количеством боридов и бороцементита имеют борированные слои, полученные при Ц=5,2-107+6,2-107 Вт/м2, в то время как в образцах, облученных с плотностью мощности 18,5-107+20,8-107 Вт/м2, преобладающими элементами фазового состава являются а-раствор и Рез(С,В), а присутствие борида РегВ обнаруживается по наличию едва различимых следов на дифрактограммах.

Результаты проведенных исследований приводят к заключению, что для повышения однородности борированных слоев следует либо уменьшать толщину легирующей обмазки, либо увеличивать плотность мощности лазерного излучения. Однако указанные изменения параметров 5 и Ц вызывают падение концентрации бора в зоне лазерной обработки, что неприемлемо в тех

случаях, когда требование однородности микроструктуры сочетается с необходимостью достижения высоких степеней упрочнения поверхности. С целью одновременного удовлетворения этих двух требований в работе опробован метод многократного оплавления, б котором серию идентичных образцов первично бори-ровали в режиме, обеспечивающем формирование структуры с большим количеством первичных боридов и борокарбидов (6=150 мкм; (3=9,4• 10' Вт/м2), после чего борированную поверхность оплавляли при 0=7,5 • 107 Вт/м':" с кратностью обработок п от 1 до 10.

Установлено, что при повторном оплавлении борированной поверхности ее микроструктура существенно гомогенизируется, разброс значений микротвердости, измеренных в различных точках плоскости обработки, уменьшается, в то время как ее усредненный уровень остается практически неизменным. Наиболее значительные изменения, связанные с исчезновением крупных скоплений высокобористых фаз и их более однородным распределением, наблюдаются при п<3.

Результаты дюрометрического анализа, выполненного применительно к сталям 12Х18НЮТ, 40Х1ЭМЗФ, 45 и У10, показывают, что наибольшие значения твердости (Н50 да -23,0 ГПа) присущи зонам с высокой плотностью первичных боридоЕ РеаВ и РеВ. При оплавлении обмазки постоянной толщины с увеличением Ц показатели твердости всех различимых структурных зон снижаются, а в случае обработки с неизменной плотностью мощности излучения зафиксировано увеличение усредненных значений твердости борированной поверхности с ростом параметра б. В качестве примера на рис. 46 представлены экспериментальные зависимости Н5о(8) для стали 12Х18Н10Т, насыщенной бором при трех различных значениях Подобные графики могут использоваться в практике лазерного легирования для назначения режимов, гарантирующих требуемую величину упрочнения поверхности.

Пятая глава диссертации посвящена изучению влияния различных еидов лазерной обработки на структуру и твердость быстрорежущей стали Р6М5, отработке методики и выбору оптимальных режимов лазерного упрочнения дисковых фрез и СЕерл из этой стали, а также проведению эксплуатационных испытаний

упрочненного инструмента в производственных условиях. Исследуемые образцы подвергали лазерной твердофазной закалке при 0=5,9■108+6,5•10® Вт/мг, поверхностному борированию при 4=9,7- 108Щ,1-108 Вт/м"0, а также совместному насыщению бором и компонентами сплава ВК-15 при Ц=7,8-108+8>6-103 Вт/мг на импульсной установке Г001001. Обработку пробных партий инструментов осуществляли с помощью специально изготовленной оснастки.

Установлено, что для микроструктуры образцов, испытавших лазерную закалку без оплавления поверхности, характерны высокая плотность выделений и равномерное распределение вторичных карбидов, размеры которых не превышают 3+4 мкм. Рентгенографически наблюдается уменьшение количества остаточного ауотенита к соответствующий прирост «-фазы. Микротвердость зоны твердофазной закалки возрастает приблизительно на 4,0 ГПа в сравнении со свойствами стали Р6М5 после стандартной термообработки и достигает значений 10,5+10,7 ГПа.

В результате лазерного многокомпонентного (В, V/, С, Со) легирования в пределах оплавленного пятна фиксируются участки с дендритным строением первично закристаллизованного твердого раствора, зоны с дисперсными выделениями избыточных фаз, а также слабо травящиеся области без определенных морфологических признаков, в пределах которых залегают частицы карбида да, входящие в состав легирующего покрытия и не успевшие полностью раствориться в жидком слое матричного материала. В дифракционных спектрах легированных образцов появляются ключевые рефлексы борида Ре^В и фазы МС, а интенсивность интерференционных линий г-раствора заметно снижается. Согласно данным дюрометрических исследований микротвердость легированной поверхности изменяется в пределах от 10,0 ГПа для областей с преимущественно дендритной структурой до 20,5 ГПа для нетравящихся белых зон.

Влияние лазерного поверхностного упрочнения на работоспособность дисковых фрез контролировали с помощью эксплуатационных испытаний, которые выполняли в условиях ремонтно-ме-ханического цеха ПО "Приднепровский химический завод" в процессе ревки на форсированных режимах круглей заготовки из нержавеющей хромистой стали. Параллельно с опытными экземп-

лярами инструмента, прошедшими лазерную твердофазную закалку и поверхностное легирование, испытывали контрольные образцы, обработанные по стандартному для стали Р6М5 режиму.

Установлено, что при данных условиях фрезерования наилучший показатель относительной стойкости инструмента (3, 5) имеют образцы , обработанные в режиме лазерного многокомпонентного легирования. Режимы лазерной закалки без оплавления поверхности и лазерного борирования являются менее эффективными и дают увеличение стойкости фрез, соответственно, в 2,0 и 2,8 раз в сравнении с образцами серийного производства.

Близкое по величине положительное влияние анализируемых еидов обработки на режущие свойства инструмента из стали Р6М5 зафиксировано также в ходе приемочных испытаний лавер-но-упрочненных партий сверл, проведенных в реыонтно-механическом цехе АО "Предприятие Кокс".

Результаты испытаний фрез и сверл подтверждены соответствующими актами.

ВЫВОДЫ

1. На примере углеродистых и легированных сталей показано, что в зависимости от марки стали, отличающихся типом карбидной фазы, лазерно-борированные слои имеют различный фазовый состав, специфика которого может быть объяснена с помощью представлений об участии матричных фаз в процессах структурообраеования зоны повторного затвердевания.

2. Морфологические особенности структурных составляющих насыщенной бором поверхности свидетельствуют, что микрометаллургический процесс лазерного легирования осуществляется в условиях больших скоростей охлаждения (~104+105 К/с) оплавленного слоя, которые сопоставимы с соответствующими значениями, характерными для методов закалки сплавов из жидкого состояния.

3. Металлографически и методом Оже-электронной спектроскопии установлено, что лазерное борирование исследуемых сталей сопровождается формированием структуры дисперсных гете-рофазных смесей с признаками химической неоднородности как в плоскости обработки, так и по глубине легированной зоны. Характер зональной ликвации насыщающего элемента,в основных

чертах, определяется закономерностями перераспределения компонентов на фронте кристаллизации дендритов твердого раствора, прорастающих ив матричных кристаллов в направлении преимущественного теплоотвода.

4. С помощью серии специально организованных экспериментов установлено, что наиболее значимыми технологическими параметрами, определяющими размеры, структурное состояние и свойства зоны лазерного борирования, являются толщина легирующей обмазки 5 и плотность мощности лазерного излучения

По результатам выполненных исследований построены зависимости Ь(5, Ц) и Н50(Й, Ц), позволяющие выбирать режимы лазерной обработки, обеспечивающие достижение заданных глубины и степени упрочнения борированного слоя.

5. Показано, что при однократном оплавлении легирующего покрытия степень структурной неоднородности борированных слоев снижается одновременно с концентрацией бора по мере уменьшения б и увеличения Для получения структурно однородных и высокотвердых борированных слоев предложен метод повторного оплавления при кратности обработок п<3.

6. Лазерное легирование сталей бором является эффективным способом поверхностного упрочнения, обеспечивающим показатели твердости и абразивной износостойкости, которые значительно превышают уровень свойств после традиционных видов термической обработки.

7. При лазерной обработке быстрорежущей стали Р6М5 в режимах твердофазной закалки и поверхностного легирования наибольшая степень упрочнения достигается в образцах, подвергнутых совместному насыщению бором и компонентами сплава ВК-15.

8. Лазерное многокомпонентное легирование дисковых фрез и сверл из стали Р6М5 с использованием оптимальных условий обработки позволяет повысить их стойкостные характеристики до 3,5+3,7 раз относительно контрольных экземпляров инструмента, прошедших стандартную термообработку. Положительное влияние лазерной обработки на работоспособность режущего инструмента подтверждено актами эксплуатационных испытаний в производственных условиях.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Структура и свойства сплаЕОВ эвтектического типа, подвергнутых лазерному оплавлению /А.В.Лысенко, Л.И.Миркин, Н.Н.Козина// Тез. докл. III Всес. конференции "Закономерности формирования структуры сплавов эвтектического типа.-Днепропетровск, -1986.-С.45-47.

2. Структура и свойства эвтектических сплавов в зоне лазерного оплавления /А.Б.Лысенко, Л.И.Миркин, Н.Н.Козина// Металловедение и термическая обработка металлов. -1988. -N10. -С.10-14.

3. Влияние марки стали на структуру и упрочнение поверхностных слоев, полученных методом лазерного борирования /А.Б.Лысенко, H.H.Козина// Тез. докл. межреспуб. конф. "Свойства порошковых материалов и покрытий". -Волгоград. -1989.-С.22.

4. Разработка новых материалов с использованием прогрессивных технологий /Ю.И.Коковихин, А.А.Толок, Н.Н.Казина//Сб. статей "Наука-производству".-Киев:"Вшца школа", -1991.-С.290-295.

5. Структура и свойства сталей после борирования с использованием лазерного нагрева /А.Б.Лысенко. H.H.Козина, Т.В.Гуляева, В.В.Шибаев, А.Г.Глушкое// Металловедение и термическая обработка металлов. -1991. - N3.-C.2-4.

5. Микроструктура и свойства сталей, подвергнутых лазерному борированию и силицированию /А.Б.Лысенко, Н.Н.Козина, Ю.И.Коковихин, Г.В.Борисова// Тез. докл. семинара "Легирование, структура и свойства упрочненных сталей". -Киев. -1993. -С. 36-37.

7. Повышение эксплуатационных характеристик инструмента из стали Р6М5 с помощью лазерной обработки/А.В.Лысенко, Н.Н.Козина, О.А.Гарагуля// Тез. докл. семинара "Легирование, структура и свойства упрочненных сталей". -Киев.- 1993. -С.35-36.

8. Влияние технологических факторов на глубину зоны лазерного борирования сталей. /А.Б.Лысенко, Н.Н.Козина, И.С.Мирошниченко, А.А.Толок, Е.А.Толок// Рук. деп. в УкрНИ-ТИ, N 259-УК94.-07.02.94.-100.

9. Изменение структуры и свойств стали Р6М5, подвергну-

той лазерной обработке по различным режимам /Н.Н.Козина, А.А.Толок// Юбилейный сб. научн.-техн, трудоЕ /1920-1995/. -Изд-во ДГТУ. Днепродзержинск.-1995.-С.151-155.

10. Особенности образования структуры е сталях, подвергнутых лазерному поверхностному легированию./А.В.Лысенко, Н.Н.Козина, И.С.Мирошниченко, Г.В.Борисова.//Металловедение и термическая обработка металлов.-1995.-N12.-С.10-13.

11. Упрочнение сталей методом лазерного легирования. /А.Б.Лысенко, Н.Н.Козина, Г.В.Борисова//Тез. докл. межд. конференции "Организация и технология ремонта механизмов машин и оснастки." -Ялта.-1996 .-С.63.

АН0ТАЦ1Я

Козхна Н.М. Досл1дження структури та властивостей сталей, HKi зазнали лазерного легування.

Дисертащя на здобуття наукового ступени кандидата ф1 вика-математичних наук по спещальност! 01.04.13.-фхзика мета-л1в. Дн1продзержинський державний техйчний унгЕерситет, Дншродзержинськ, 1995.

Захищаеться 11 наукових po6iT, як! м1стять комплексн1 експериментадьш досл1дження процес1в структуроутворення у поверхневих шарах сталей, оброблених методом лазерного легування. Встановлено, що структурно-фазовий стан леговано! по-EepxHi мае спадкоемнкй зв'явок is ключовими елементами mik-роструктури. Специф1чн1 особливост1 будови зони лазерного легування викликають значне зм!цкення поверхн1 i шдЕшцення ст!йкост1 р1зального 1нструменту. ЕфектиЕн1оть розробленох технологи пд.дтверджено позитивними результата}«! експлуата-цйших випробувань амщнених вироб!в у виробничих умовах.

SUMMARY

Kosina N.N. Investigation of the steel structure and properties exposed to laser alloying'.

The thesis on the competition of a degree of the candidate of physical-mathematical sciences on a speciality 01.04.13 - physics of metals. Bnieprodzershinsk State Technical University, Dnieprodzerzhinsk, 1996.

11 scientific works containing the results of experimental researches of the structure formation processes in the surface layers of steels which are treated by laser alloying

method are defended. It was established that structure and phase state of alloyed surface discover the inheritancing connection with the principal elements of microstructure of basic material. Specific peculiarities of structure of the laser alloying zone cause the essential surface hardening-and rising lead to wear resistance of tool instruments. The efficiency of technology developed is confirmed by the results of experimental tests of hardened wares in manufacturing processes.

Ключевые слова,-

лазерное борирование, микроструктура, фазовый состав, прочностные свойства, технологические факторы, упрочнение инструмента.

Подписано к печати 10.06.96. Формат 60x84 1/6 Объем 1,01 усл. листов. Тираж 100 зкв. Заказ N Бесплатно, резограф ДГТУ

322618, Днепродзержинск, ул.Днепростроевская, 2