eng
Выпуск #3/2010
В.Горынин, С.Кондратьев, В.Попов.
Лазерное модифицирование трибологических свойств сталей и цветных сплавов
Лазерное модифицирование трибологических свойств сталей и цветных сплавов
Просмотры: 2563
При разработке технологии лазерного упрочнения обычно встает проблема определения необходимой глубины упрочнения в зависимости от условий работы пар трения. Часто на выбор решения влияют требования ограничений недопустимых величин износа деталей. Но зачастую лишняя глубина упрочнения может сделать процесс лазерной обработки неэффективным. Какая же глубина упрочнения необходима?
Улучшение характеристик машин и обеспечение характеристик работоспособности предъявляют особые требования к структуре и свойствам поверхностного слоя сталей и цветных сплавов. Этот слой должен обладать одним или одновременно сочетанием нескольких свойств: антифрикционных, фрикционных, коррозионной стойкостью в рабочих средах, износостойкостью и способностью к работе при высоких контактных и циклических нагрузках и т.д. Существующие методы модифицирования (закалка, обработка токами высокой частоты, термическое оксидирование, химико-термическая обработка, наплавка, напыление, нанесение покрытий и др.) не всегда обеспечивают необходимую структуру, трибологические свойства, а соответственно работоспособность материала. Одним из способов повышения качества является лазерная обработка (ЛО). Преимущества методов ЛО в том, что кроме получения модифицированных материалов они позволяют регулировать толщины и служебные характеристики деталей при снижении коробления, что важно при обработке геометрически сложных, тонкостенных и труднодоступных участков. Взаимосвязи между параметрами ЛО, исходным структурно-механическим состоянием материала и получаемыми структурой и свойствами модифицированного материала недостаточно изучены. Оценим эффективность метода лазерного модифицирования без оплавления и с оплавлением для придания трибологических свойств поверхностям сталей и цветных сплавов.
Результаты и обсуждение
Для определения необходимой глубины лазерного упрочнения была создана модель трения для прогнозирования нагрузки на работоспособность пар трения с поверхностным модифицированием. За основу модели был принят принцип Белидора при условии, что поверхности касания прилегают друг к другу лишь в точках касания.
Касание предлагаемой модели считается как моментальное дискретное, но непрерывно заполняющее весь промежуток времени, т.е. нет момента времени, при котором хотя бы одна сфера на одной поверхности не соответствует сфере на другой. Обе соприкасающиеся поверхности контакта представлены в виде совокупности полусфер. При этом все сферы равновеликие и имеют радиус, соответствующий шероховатости Rz.
Расчет напряжений производился с использованием теории Герца для стационарного нагружения. При этом определена степенная зависимость напряжений от координаты по оси Z, направленной вглубь тела, и линейная зависимость радиуса упругого контакта от Rz, а также линейная зависимость изменения координаты Zc, соответствующей максимальной интенсивности напряжений, от Rz при касании поверхностей. Выполненный анализ показал степенную зависимость напряжений вдоль оси. Проведенные расчетно-экспериментальные работы показали пригодность модели к описанию напряженного состояния при трении. Это позволило оценить приповерхностные напряжения, а также создать условия для выбора метода упрочнения или модифицирования поверхности. Глубина лазерного упрочнения будет достаточной, если напряжения при трении, рассчитанные по предлагаемой модели, не превысят предел текучести применяемых материалов на данной глубине. Расчетные зависимости напряжений от соотношения z/a, где а - расчетный параметр, Q - нагрузка на трущуюся пару, приведены на рис.1.
Лазерное модифицирование без оплавления
При изучении влияния диффузионных процессов на структуру поверхностных слоев сталей после лазерного модифицирования без оплавления установлено, что неизотермические диффузионные процессы оказывают влияние на структурную неоднородность и твердость поверхностных слоев. Кинетика неизотермических процессов существенным образом влияет не только на структуру поверхностного слоя, но зачастую определяет и механические свойства поверхностного слоя. Это следует учитывать при разработке технологических процессов лазерного модифицирования различных сталей с вариацией их структурных состояний.
Исследование комплекса таких параметров, как химический состав, исходная структура и размер зерна, в зависимости от кинетики неизотермических диффузионных процессов лазерного воздействия без оплавления позволило определить условия, когда поверхностный слой обладает высокой твердостью и гомогенизированной структурой заданной глубины. Определено, что необходимая длительность обработки легированных сталей зависит от хромового эквивалента и от режимов лазерной обработки.
Лазерное оксидирование титановых сплавов
Была установлена возможность получения модифицированного слоя без оплавления поверхности при обработке α-титановых сплавов. Она появляется за счет насыщения поверхностного слоя кислородом из газовой фазы при одновременном мартенситном превращении, которое обеспечивает требуемый уровень твердости в поверхностном слое. Процесс насыщения поверхностного слоя титанового сплава при лазерном модифицировании кислородом имеет диффузионный характер и включает в себя последующее мартенситное превращение при охлаждении. Исследование энергии активации процесса показало близость ее величины к энергии диффузии атомов по границе линейных дефектов. Она оказалась равной 0,2-0,3 эВ. Это больше, чем при термическом оксидировании.
Анализ распределения кислорода в поверхностном слое показал, что содержание кислорода в поверхностном слое составляет 6% у поверхности и уменьшается до значений 1-2 % на глубине 80-100 мкм. В зоне, обогащенной кислородом, отмечаются структурные изменения. Эта зона характеризуется мартенситной структурой. Из рентгеноструктурного анализа видно наличие α'-фазы (мартенсит), TiO- и TiO2-фаз (рис.2). Насыщение слоя кислородом совместно с мартенситным превращением в нем дает возможность повысить твердость поверхностного слоя до значений 1200 Hμ50 у поверхности и до 600-800 Hμ50 на глубине слоя более 100 мкм (рис.3). Результаты исследования механических свойств плоских образцов на разрыв из титанового сплава 3М после лазерного оксидирования показали, что они находятся на уровне механических свойств основного сплава и сплава после термического оксидирования.
Зависимость остаточных напряжений имеет сложный характер распределения в поверхностном слое (рис.4). Видно, что вблизи поверхности наблюдаются сжимающие напряжения до 140 МПа, которые на глубине 200 мкм сменяются растягивающими напряжениями до 70 МПа. Исследование механических свойств при статическом изгибе образцов толщиной 10 мм и при глубине модифицированного слоя 110 мкм показало, что лазерное оксидирование приводит к повышению предела текучести на 120 МПа, а временное сопротивление остается на исходном уровне. А исследования ударной вязкости образцов толщиной 10 мм выявили практическую неизменность её величины на уровне 10 Дж/см2. Изучение работоспособности системы металл-металл на машине трения привело к выводу, что лазерное модифицирование повышает антифрикционные свойства применяемых материалов. Результаты сравнительных исследований износостойкости на машине Шкода Савина при трении о твердосплавный ролик показали, что критерий относительного износа после лазерного и термического оксидирования составил соответственно 0,13-0,67 и 40-60 Jo·109 см/кгс, т.е уменьшился на два порядка.
Результаты испытаний на машине трения СИТ-3 (табл.1) подтвердили, что лазерное модифицирование привело к увеличению износостойкости конструкционных материалов. Применение лазерного оксидирования взамен термического позволило повысить нагрузки на трущиеся пары до 40 МПа.
Расчетная модель трения поясняет причину такого поведения материалов при подобных нагрузках. Глубина распространения напряжений для термического оксидирования (см. рис.3) захватывает не упрочненную область. Это согласуется с ранее полученными данными. Действительно, тогда напряжения не выходят за рамки зоны термического оксидирования. В то время как для лазерного оксидирования область напряжений полностью оказывается в зоне упрочнения.
Упрочнение гетерогенных композиционных материалов
В зоне лазерного нагрева за счет термических напряжений наблюдаются высокие значения остаточных напряжений сжатия, превышающие предел текучести медных сплавов.
Это приводит к повышению твердости гетерогенного материала. Оценка влияния лазерного нагрева на межфазные напряжения в зоне термического воздействия проводилась при обработке гетерогенных материалов алмазных коронок. Исследования позволили разработать технологию упрочнения композиционных сверхтвердых материалов алмазных коронок за счет лазерного нагрева путем создания стойких к релаксации сжимающих напряжений в металлокерамической матрице типа системы Сu-Ni-Co-WC.
Ультрамелкодисперсный (УМД) слой
Возможность создания ультрамелкодисперсной структуры с размером зерна 0,1 мкм и менее возникает тогда, когда при кристаллизации расплава скорость роста зародышей намного меньше скорости образования числа центров кристаллизации. Для этого необходимо получить высокой степени переохлаждения расплав. Такие условия возникают при лазерном модифицировании. Конечно, необходимо выбрать соответствующие значения скорости лазерной обработки и величины плотности мощности лазерного излучения. При лазерной обработке с оплавлением поверхности при изменении скоростей обработки от 0,02 до 10 м/с размер зерна в зоне оплавления изменяется от 15-20 до 0,1-0,5 мкм. При применении легирующих материалов может быть достигнуто увеличение глубины обработанного слоя до 300 мкм за счет повышения мощности лазерного излучения. Материалы с поверхностным УМД слоем придают поверхности антифрикционные свойства за счет крайне мелкой структуры, по-видимому, оказывающей влияние на морфологию поверхностного слоя.
Модифицирование керамическими частицами (КЧ)
Модифицирование керамическими частицами проводят по двум вариантам: либо поверхность металла легируется атомами из газоплазменного облака, либо твердожидкими фазами присадочного материала. Различие состоит в том, как быстро присадочный материал диссоциирует на поверхности металла. Т.е, либо присадочный материал подвергается диссоциации и вводится из плазменного облака, либо его вводят, смачивая основной металл в ванне расплава. Характер зависимости содержания керамической составляющей в матрице от исходного содержания его в смеси (рис.5) объясняется более низкой температурой, возникающей в металлической ванне расплава. В ней смачиваемые керамические частицы предохраняются от разложения и диссоциации.
Упрочнение слоем керамических частиц
При выборе состава с низкой удельной плотностью присадочных материалов и определенном режиме лазерной обработки керамические частицы могут располагаться непосредственно у поверхности. Микроструктура слоя керамических частиц (КЧ) подставляет собой неоднородную структуру, состоящую из трех основных зон (рис.6).
Поверхность металла покрыта слоем керамических частиц размером 100-300 мкм, внедренных в основной металл на глубину до 100-150 мкм. Зона, лежащая ниже, представляет собой азотистый аустенит с небольшими (2-3 мкм) вторичными частицами нитрида титана, ниже которого находится азотистый мартенсит. Ниже его расположена зона термического влияния, представляющая собой переходную зону от мартенситной структуры вблизи зоны плавления на глубине до 1,0-2,5 мм (в зависимости от режима обработки). При увеличении времени взаимодействия увеличивается обогащение зоны плавления азотом и титаном, что приводит к фиксации в зоне азотистого аустенита. Исследование зоны оплавления методом растровой электронной микроскопии при увеличении ×8000 показало наличие зон когерентного рассеяния электронов на границе между керамической частицей и зоной оплавления. Вблизи границы сплавления обнаружена область диффузионного насыщения элементами керамических частиц и наличие (до 0,1%) железа и других элементов матрицы в частице на глубине до 15 мкм. Содержание азота в зоне оплавления доходит до 0,8-1,2%.
Наличие азота обнаружено не только в зоне оплавления, но также и в зоне термического влияния на глубину до 100-200 мкм. Твердость слоя частиц уменьшается с 1800 до 2200 Hμ50, а твердость зоны оплавления увеличивается с приближением к зоне плавления на расстояние ~20 мкм. В зоне азотистого аустенита наблюдается равномерная микротвердость ~800 Hμ50. Она увеличивается с приближением границы зоны оплавления и в зоне с мартенситной структурой составляет до 1200 Hμ50. В зоне термического влияния на расстоянии 200 мкм от границы сплавления наблюдается высокая твердость - 1000-1200 Hμ50. Ниже, при удалении от зоны оплавления, твердость уменьшается до исходной твердости упрочнённой стали.
Общая глубина зоны модифицирования может составлять до 2,5 мм. Структура зоны лазерного легирования представляет собой две твердые области, разделенные аустенитной прослойкой, в ней отсутствуют несплошности и дефекты в зоне сплавления керамических частиц с матрицей. Высокая адгезия керамических частиц к металлу матрицы объясняется диффузионным насыщением матрицы вблизи границы раздела элементами керамических частиц и наличием до 0,1% железа и других элементов матрицы в частице на глубине до 15 мкм. Содержание азота в зоне оплавления достигало 0,8-1,2%. Коэффициент трения такого модифицированного материала представлен на рис.7. Результаты исследования фрикционных свойств стали с лазерным модифицированием с использованием частиц TiN выявили, что при нагрузке пар трения до 6 МПа коэффициент трения становится в 2-2,5 раза выше, чем у основного металла. Такое поведение материала также объясняет предложенная модель трения. Расчетные значения напряжений для случая реального нагружения составят 8500 МПа. Это неминуемо приведет к объемно-напряженному состоянию поверхностного слоя. Снижается также напряжение схватывания при трении о металл до значений 10 МПа. Гидроабразивная стойкость материала, покрытого слоем керамических частиц в 1,4 раза выше, чем у материала, подвергнутого закалке и отпуску. Видно, что износ материала сначала происходит в местах, не защищенных частицами нитрида титана, а лишь затем в зоне модифицированного слоя. Оценивая работоспособность плашек и кулачков с фрикционным слоем, видно, что их ресурс увеличился в 2-3 раза, а ключей гладкозахватных - более чем в 3 раза. Такие материалы выдерживают высокие (до 300 МПа) контактные нагрузки и имеют высокую износостойкость. Их можно использовать как фрикционные материалы, выдерживающие высокие контактные напряжения.
Металлокерамический слой
При параметрах обработки, препятствующих диссоциации и оптимизации состава присадочных материалов, керамические частицы могут равномерно располагаться в зоне модифицирования с образованием металлокерамического слоя (МК-слоя). Такая структура металлокерамических слоев методом электронной микроскопии позволило характеризуется наличием контраста по границе раздела керамической и металлической фаз, а также наличием сравнительно более мелких вторичных карбидов Cr7C3 (рис.8). При этом зона керамических частиц обогащена элементами основного металла, а зона вблизи частиц в матрице (металле) обогащена элементами частиц.
Рентгеноструктурный анализ обнаружил наличие вторичных карбидов Сr7C3 в структуре матрицы. Разработаны металлокерамические материалы на основе карбида хрома, эльбора, карбида вольфрама, оксида алюминия, графита, дисульфида молибдена.
При этом предел прочности, предел текучести и удлинение при кратковременном растяжении модифицированных материалов с поверхностным металлокерамическим слоем при малой доле металлокерамического слоя сопоставим со свойствами металла основы. Содержание керамической фазы может достигать 70%. При этом в зоне плавления обеспечивается надёжная химическая связь между металлом и керамической частицей. Твердость металлической матрицы в поверхностном слое достигает 940 Hμ50, а керамических частиц от 2300 до 9000 Hμ50 в зависимости от их состава. Результаты измерений микротвердости поверхностного слоя приведено в табл.2.
Материалы обладают высокой стойкостью к абразивному и гидроабразивному изнашиванию. Так, стойкость стали 20 после лазерного упрочнения к гидроабразивному износу в 3,2 раз выше по сравнению с нитроцементацией. Износостойкость бронзы БрАЖНМц9441 с поверхностным металлокерамическим слоем при трении о твердосплавный ролик в 6 раз выше, чем у бронзы в исходном состоянии при трении о твердосплавный ролик твердостью до 600 Hμ50. Материалы с подобными структурами способны выдерживать высокие нагрузки на трущиеся пары. А результаты стендовых испытаний подтвердили, что применение металлокерамического слоя на рабочих поверхностях деталей судовых лебёдочных механизмов из антифрикционной бронзы БрОФ6.5-0,15 позволит увеличить их работоспособность в 2,5-3,0 раза. Модифицированные материалы на основе сталей 20, 45 и 40Х с металлокерамическим поверхностным слоем для высоконагруженных деталей бурового оборудования (переходники, центраторы, кулачки, плашки, ключи) позволили не только увеличить их работоспособность до 6 раз, но и повысить скорость проходки скважин. На базе этой технологии получены материалы, содержащие твердые смазки. Добавляя в состав твердые частицы в мягкой бронзовой матрице и регулируя коэффициент трения, удалось создать материалы для тормозных механизмов, используя разработанный метод расчета напряжений в поверхностном слое. Исследование тормозных дисков показало увеличение ресурса в 2 раза при фрикционных свойствах поверхностного слоя.
Таким образом удалось доказать эффективность применения направленного многоцелевого лазерного модифицирования для решения широкого круга триботехнических задач, предъявляемых к современным материалам в машиностроении. Результаты многочисленных экспериментов подтвердили, что необходимая глубина упрочнения зависит от напряжений в поверхностном слое. С помощью лазера возможно получение как антифрикционных, так и фрикционных материалов. Испытания механизмов показали высокую эффективность слоев с поверхностным лазерным модифицированием.
Результаты и обсуждение
Для определения необходимой глубины лазерного упрочнения была создана модель трения для прогнозирования нагрузки на работоспособность пар трения с поверхностным модифицированием. За основу модели был принят принцип Белидора при условии, что поверхности касания прилегают друг к другу лишь в точках касания.
Касание предлагаемой модели считается как моментальное дискретное, но непрерывно заполняющее весь промежуток времени, т.е. нет момента времени, при котором хотя бы одна сфера на одной поверхности не соответствует сфере на другой. Обе соприкасающиеся поверхности контакта представлены в виде совокупности полусфер. При этом все сферы равновеликие и имеют радиус, соответствующий шероховатости Rz.
Расчет напряжений производился с использованием теории Герца для стационарного нагружения. При этом определена степенная зависимость напряжений от координаты по оси Z, направленной вглубь тела, и линейная зависимость радиуса упругого контакта от Rz, а также линейная зависимость изменения координаты Zc, соответствующей максимальной интенсивности напряжений, от Rz при касании поверхностей. Выполненный анализ показал степенную зависимость напряжений вдоль оси. Проведенные расчетно-экспериментальные работы показали пригодность модели к описанию напряженного состояния при трении. Это позволило оценить приповерхностные напряжения, а также создать условия для выбора метода упрочнения или модифицирования поверхности. Глубина лазерного упрочнения будет достаточной, если напряжения при трении, рассчитанные по предлагаемой модели, не превысят предел текучести применяемых материалов на данной глубине. Расчетные зависимости напряжений от соотношения z/a, где а - расчетный параметр, Q - нагрузка на трущуюся пару, приведены на рис.1.
Лазерное модифицирование без оплавления
При изучении влияния диффузионных процессов на структуру поверхностных слоев сталей после лазерного модифицирования без оплавления установлено, что неизотермические диффузионные процессы оказывают влияние на структурную неоднородность и твердость поверхностных слоев. Кинетика неизотермических процессов существенным образом влияет не только на структуру поверхностного слоя, но зачастую определяет и механические свойства поверхностного слоя. Это следует учитывать при разработке технологических процессов лазерного модифицирования различных сталей с вариацией их структурных состояний.
Исследование комплекса таких параметров, как химический состав, исходная структура и размер зерна, в зависимости от кинетики неизотермических диффузионных процессов лазерного воздействия без оплавления позволило определить условия, когда поверхностный слой обладает высокой твердостью и гомогенизированной структурой заданной глубины. Определено, что необходимая длительность обработки легированных сталей зависит от хромового эквивалента и от режимов лазерной обработки.
Лазерное оксидирование титановых сплавов
Была установлена возможность получения модифицированного слоя без оплавления поверхности при обработке α-титановых сплавов. Она появляется за счет насыщения поверхностного слоя кислородом из газовой фазы при одновременном мартенситном превращении, которое обеспечивает требуемый уровень твердости в поверхностном слое. Процесс насыщения поверхностного слоя титанового сплава при лазерном модифицировании кислородом имеет диффузионный характер и включает в себя последующее мартенситное превращение при охлаждении. Исследование энергии активации процесса показало близость ее величины к энергии диффузии атомов по границе линейных дефектов. Она оказалась равной 0,2-0,3 эВ. Это больше, чем при термическом оксидировании.
Анализ распределения кислорода в поверхностном слое показал, что содержание кислорода в поверхностном слое составляет 6% у поверхности и уменьшается до значений 1-2 % на глубине 80-100 мкм. В зоне, обогащенной кислородом, отмечаются структурные изменения. Эта зона характеризуется мартенситной структурой. Из рентгеноструктурного анализа видно наличие α'-фазы (мартенсит), TiO- и TiO2-фаз (рис.2). Насыщение слоя кислородом совместно с мартенситным превращением в нем дает возможность повысить твердость поверхностного слоя до значений 1200 Hμ50 у поверхности и до 600-800 Hμ50 на глубине слоя более 100 мкм (рис.3). Результаты исследования механических свойств плоских образцов на разрыв из титанового сплава 3М после лазерного оксидирования показали, что они находятся на уровне механических свойств основного сплава и сплава после термического оксидирования.
Зависимость остаточных напряжений имеет сложный характер распределения в поверхностном слое (рис.4). Видно, что вблизи поверхности наблюдаются сжимающие напряжения до 140 МПа, которые на глубине 200 мкм сменяются растягивающими напряжениями до 70 МПа. Исследование механических свойств при статическом изгибе образцов толщиной 10 мм и при глубине модифицированного слоя 110 мкм показало, что лазерное оксидирование приводит к повышению предела текучести на 120 МПа, а временное сопротивление остается на исходном уровне. А исследования ударной вязкости образцов толщиной 10 мм выявили практическую неизменность её величины на уровне 10 Дж/см2. Изучение работоспособности системы металл-металл на машине трения привело к выводу, что лазерное модифицирование повышает антифрикционные свойства применяемых материалов. Результаты сравнительных исследований износостойкости на машине Шкода Савина при трении о твердосплавный ролик показали, что критерий относительного износа после лазерного и термического оксидирования составил соответственно 0,13-0,67 и 40-60 Jo·109 см/кгс, т.е уменьшился на два порядка.
Результаты испытаний на машине трения СИТ-3 (табл.1) подтвердили, что лазерное модифицирование привело к увеличению износостойкости конструкционных материалов. Применение лазерного оксидирования взамен термического позволило повысить нагрузки на трущиеся пары до 40 МПа.
Расчетная модель трения поясняет причину такого поведения материалов при подобных нагрузках. Глубина распространения напряжений для термического оксидирования (см. рис.3) захватывает не упрочненную область. Это согласуется с ранее полученными данными. Действительно, тогда напряжения не выходят за рамки зоны термического оксидирования. В то время как для лазерного оксидирования область напряжений полностью оказывается в зоне упрочнения.
Упрочнение гетерогенных композиционных материалов
В зоне лазерного нагрева за счет термических напряжений наблюдаются высокие значения остаточных напряжений сжатия, превышающие предел текучести медных сплавов.
Это приводит к повышению твердости гетерогенного материала. Оценка влияния лазерного нагрева на межфазные напряжения в зоне термического воздействия проводилась при обработке гетерогенных материалов алмазных коронок. Исследования позволили разработать технологию упрочнения композиционных сверхтвердых материалов алмазных коронок за счет лазерного нагрева путем создания стойких к релаксации сжимающих напряжений в металлокерамической матрице типа системы Сu-Ni-Co-WC.
Ультрамелкодисперсный (УМД) слой
Возможность создания ультрамелкодисперсной структуры с размером зерна 0,1 мкм и менее возникает тогда, когда при кристаллизации расплава скорость роста зародышей намного меньше скорости образования числа центров кристаллизации. Для этого необходимо получить высокой степени переохлаждения расплав. Такие условия возникают при лазерном модифицировании. Конечно, необходимо выбрать соответствующие значения скорости лазерной обработки и величины плотности мощности лазерного излучения. При лазерной обработке с оплавлением поверхности при изменении скоростей обработки от 0,02 до 10 м/с размер зерна в зоне оплавления изменяется от 15-20 до 0,1-0,5 мкм. При применении легирующих материалов может быть достигнуто увеличение глубины обработанного слоя до 300 мкм за счет повышения мощности лазерного излучения. Материалы с поверхностным УМД слоем придают поверхности антифрикционные свойства за счет крайне мелкой структуры, по-видимому, оказывающей влияние на морфологию поверхностного слоя.
Модифицирование керамическими частицами (КЧ)
Модифицирование керамическими частицами проводят по двум вариантам: либо поверхность металла легируется атомами из газоплазменного облака, либо твердожидкими фазами присадочного материала. Различие состоит в том, как быстро присадочный материал диссоциирует на поверхности металла. Т.е, либо присадочный материал подвергается диссоциации и вводится из плазменного облака, либо его вводят, смачивая основной металл в ванне расплава. Характер зависимости содержания керамической составляющей в матрице от исходного содержания его в смеси (рис.5) объясняется более низкой температурой, возникающей в металлической ванне расплава. В ней смачиваемые керамические частицы предохраняются от разложения и диссоциации.
Упрочнение слоем керамических частиц
При выборе состава с низкой удельной плотностью присадочных материалов и определенном режиме лазерной обработки керамические частицы могут располагаться непосредственно у поверхности. Микроструктура слоя керамических частиц (КЧ) подставляет собой неоднородную структуру, состоящую из трех основных зон (рис.6).
Поверхность металла покрыта слоем керамических частиц размером 100-300 мкм, внедренных в основной металл на глубину до 100-150 мкм. Зона, лежащая ниже, представляет собой азотистый аустенит с небольшими (2-3 мкм) вторичными частицами нитрида титана, ниже которого находится азотистый мартенсит. Ниже его расположена зона термического влияния, представляющая собой переходную зону от мартенситной структуры вблизи зоны плавления на глубине до 1,0-2,5 мм (в зависимости от режима обработки). При увеличении времени взаимодействия увеличивается обогащение зоны плавления азотом и титаном, что приводит к фиксации в зоне азотистого аустенита. Исследование зоны оплавления методом растровой электронной микроскопии при увеличении ×8000 показало наличие зон когерентного рассеяния электронов на границе между керамической частицей и зоной оплавления. Вблизи границы сплавления обнаружена область диффузионного насыщения элементами керамических частиц и наличие (до 0,1%) железа и других элементов матрицы в частице на глубине до 15 мкм. Содержание азота в зоне оплавления доходит до 0,8-1,2%.
Наличие азота обнаружено не только в зоне оплавления, но также и в зоне термического влияния на глубину до 100-200 мкм. Твердость слоя частиц уменьшается с 1800 до 2200 Hμ50, а твердость зоны оплавления увеличивается с приближением к зоне плавления на расстояние ~20 мкм. В зоне азотистого аустенита наблюдается равномерная микротвердость ~800 Hμ50. Она увеличивается с приближением границы зоны оплавления и в зоне с мартенситной структурой составляет до 1200 Hμ50. В зоне термического влияния на расстоянии 200 мкм от границы сплавления наблюдается высокая твердость - 1000-1200 Hμ50. Ниже, при удалении от зоны оплавления, твердость уменьшается до исходной твердости упрочнённой стали.
Общая глубина зоны модифицирования может составлять до 2,5 мм. Структура зоны лазерного легирования представляет собой две твердые области, разделенные аустенитной прослойкой, в ней отсутствуют несплошности и дефекты в зоне сплавления керамических частиц с матрицей. Высокая адгезия керамических частиц к металлу матрицы объясняется диффузионным насыщением матрицы вблизи границы раздела элементами керамических частиц и наличием до 0,1% железа и других элементов матрицы в частице на глубине до 15 мкм. Содержание азота в зоне оплавления достигало 0,8-1,2%. Коэффициент трения такого модифицированного материала представлен на рис.7. Результаты исследования фрикционных свойств стали с лазерным модифицированием с использованием частиц TiN выявили, что при нагрузке пар трения до 6 МПа коэффициент трения становится в 2-2,5 раза выше, чем у основного металла. Такое поведение материала также объясняет предложенная модель трения. Расчетные значения напряжений для случая реального нагружения составят 8500 МПа. Это неминуемо приведет к объемно-напряженному состоянию поверхностного слоя. Снижается также напряжение схватывания при трении о металл до значений 10 МПа. Гидроабразивная стойкость материала, покрытого слоем керамических частиц в 1,4 раза выше, чем у материала, подвергнутого закалке и отпуску. Видно, что износ материала сначала происходит в местах, не защищенных частицами нитрида титана, а лишь затем в зоне модифицированного слоя. Оценивая работоспособность плашек и кулачков с фрикционным слоем, видно, что их ресурс увеличился в 2-3 раза, а ключей гладкозахватных - более чем в 3 раза. Такие материалы выдерживают высокие (до 300 МПа) контактные нагрузки и имеют высокую износостойкость. Их можно использовать как фрикционные материалы, выдерживающие высокие контактные напряжения.
Металлокерамический слой
При параметрах обработки, препятствующих диссоциации и оптимизации состава присадочных материалов, керамические частицы могут равномерно располагаться в зоне модифицирования с образованием металлокерамического слоя (МК-слоя). Такая структура металлокерамических слоев методом электронной микроскопии позволило характеризуется наличием контраста по границе раздела керамической и металлической фаз, а также наличием сравнительно более мелких вторичных карбидов Cr7C3 (рис.8). При этом зона керамических частиц обогащена элементами основного металла, а зона вблизи частиц в матрице (металле) обогащена элементами частиц.
Рентгеноструктурный анализ обнаружил наличие вторичных карбидов Сr7C3 в структуре матрицы. Разработаны металлокерамические материалы на основе карбида хрома, эльбора, карбида вольфрама, оксида алюминия, графита, дисульфида молибдена.
При этом предел прочности, предел текучести и удлинение при кратковременном растяжении модифицированных материалов с поверхностным металлокерамическим слоем при малой доле металлокерамического слоя сопоставим со свойствами металла основы. Содержание керамической фазы может достигать 70%. При этом в зоне плавления обеспечивается надёжная химическая связь между металлом и керамической частицей. Твердость металлической матрицы в поверхностном слое достигает 940 Hμ50, а керамических частиц от 2300 до 9000 Hμ50 в зависимости от их состава. Результаты измерений микротвердости поверхностного слоя приведено в табл.2.
Материалы обладают высокой стойкостью к абразивному и гидроабразивному изнашиванию. Так, стойкость стали 20 после лазерного упрочнения к гидроабразивному износу в 3,2 раз выше по сравнению с нитроцементацией. Износостойкость бронзы БрАЖНМц9441 с поверхностным металлокерамическим слоем при трении о твердосплавный ролик в 6 раз выше, чем у бронзы в исходном состоянии при трении о твердосплавный ролик твердостью до 600 Hμ50. Материалы с подобными структурами способны выдерживать высокие нагрузки на трущиеся пары. А результаты стендовых испытаний подтвердили, что применение металлокерамического слоя на рабочих поверхностях деталей судовых лебёдочных механизмов из антифрикционной бронзы БрОФ6.5-0,15 позволит увеличить их работоспособность в 2,5-3,0 раза. Модифицированные материалы на основе сталей 20, 45 и 40Х с металлокерамическим поверхностным слоем для высоконагруженных деталей бурового оборудования (переходники, центраторы, кулачки, плашки, ключи) позволили не только увеличить их работоспособность до 6 раз, но и повысить скорость проходки скважин. На базе этой технологии получены материалы, содержащие твердые смазки. Добавляя в состав твердые частицы в мягкой бронзовой матрице и регулируя коэффициент трения, удалось создать материалы для тормозных механизмов, используя разработанный метод расчета напряжений в поверхностном слое. Исследование тормозных дисков показало увеличение ресурса в 2 раза при фрикционных свойствах поверхностного слоя.
Таким образом удалось доказать эффективность применения направленного многоцелевого лазерного модифицирования для решения широкого круга триботехнических задач, предъявляемых к современным материалам в машиностроении. Результаты многочисленных экспериментов подтвердили, что необходимая глубина упрочнения зависит от напряжений в поверхностном слое. С помощью лазера возможно получение как антифрикционных, так и фрикционных материалов. Испытания механизмов показали высокую эффективность слоев с поверхностным лазерным модифицированием.
Отзывы читателей
