Full Text

Введение Увеличение износостойкости поверхности изделий является одной из актуальных проблем в машиностроении. Одним из технологических решений является упрочнение поверхности изделия за счет изменения его структуры. Упрочнение поверхности может быть достигнуто такими методами, как термические, электрохимические, диффузионные, плазменные, лазерные и т.д. [1-6]. Основной целью лазерного термоупрочнения сталей является повышение износостойкости поверхностей деталей, работающих в условиях трения. Результатом лазерной закалки является высокая твердость поверхности в сравнении с необработанной, уменьшение коэффициента трения, увеличение несущей способности поверхностного слоя и другие параметры. Упрочнение материалов лазерным излучением достигается за счет локального нагрева участка поверхности под воздействием излучения и последующего охлаждения этого участка с высокой скоростью (лазерная закалка) в результате теплоотвода тепла вглубь металла [7]. Анализ литературы показывает, что большинство исследований лазерного воздействия изучают его влияние на литые стали [8-13], лазерная обработка порошковых изделий проводится обычно для снижения пористости поверхности, получения покрытий и восстановления деталей [14-16], а также наплавки неспеченных металлических порошков [17]. Для упрочнения поверхности порошковых сталей необходимо определение оптимальных режимов обработки. Для определения оптимальных режимов обработки требуется изучение влияния совокупности основных параметров обработки, таких как плотность мощности лазерного пятна и скорость обработки поверхности [18, 19]. Материалы и методики исследования Лазерную обработку поверхности проводили на образцах углеродистых сталей, содержащих 1 % углерода - литой стали У10 и порошковых сталей ПА-ЖГр c пористостью 4, 8 и 10 %. Образцы порошковых сталей изготавливались методом порошковой металлургии из порошка железа ПЖРВ 2.200.28 и графита коллоидного. Порошки смешивали в смесителе со смещенной осью вращения, прессовали в пресс-форме под давлением 400 МПа, затем отжигали в вакуумной печи при температуре 900 °С, повторно доуплотняли в пресс-форме под давлением 500 или 550 МПа и спекали окончательно в вакууме при температуре 1150 °С. Лазерную обработку поверхности проводили на образцах в форме параллелепипедов 25´25´200 мм с помощью промышленной установки для аддитивного производства Optomec LENS 850-R c волоконным лазером мощностью 1 кВт в среде аргона. Образцы устанавливались на алюминиевую плиту для лучшего теплоотвода. Для полного факторного эксперимента [20] использовалось 9 режимов обработки (таблица), варьировали основные параметры - скорость обработки v и плотность мощности I: где W - мощность лазера, S - площадь пятна, которую вычисляли как где d - диаметр пятна. Режимы лазерной обработки Режим Мощность W, Вт Плотность мощности I, Вт/см2 Площадь пучка S, см2 Скорость прохода v, см/с 1 98,4 8000 0,0123 0,8 2 196,8 16 000 0,0123 0,8 3 98,4 8000 0,0123 1,2 4 196,8 16 000 0,0123 1,2 5 147,6 12 000 0,0123 0,8 6 147,6 12 000 0,0123 1,2 7 98,4 8000 0,0123 1 8 196,8 16 000 0,0123 1 9 147,6 12 000 0,0123 1 Диаметр пятна нагрева в экспериментах d был 1,5; 2; 2,5 и 4 мм. Микротвердость измеряли согласно ГОСТ 9450-76 на твердомере 402MVD Knoop/ VickersTester на шлифе, выполненном с поперечного среза образца по центру зоны влияния обработки с шагом 75 мкм от поверхности. Исследование микроструктуры и измерение геометрических параметров зоны воздействия проводились на оптическом микроскопе Axiovert 40 Mat при увеличении 5-50 крат на нетравленых и травленных в нитале шлифах. Для получения совокупности параметров, влияющих на образование трещины, использовался параметр мощности лазера, приходящейся на единицу площади в секунду P: Результаты и обсуждение исследований Структура сталей включала перлит и небольшое количество цементита (рис. 1). Зона оплавления имела аустенитно-мартенситную структуру и характеризовалась отсутствием границ зерен, поверхность зоны термического влияния имела очень малую пористость. Зона воздействия беспористого образца стали У10 имела более выраженный характер и однородную структуру (см. рис. 1, в). Анализ микроструктуры позволил подразделить зону закалки на 4 зоны (рис. 2, а): I - зону оплавления с минимальной пористостью. В зоне оплавления не наблюдалось отдельных частиц порошка. Материал в этой зоне имел мартенситную структуру (рис. 2, в), наблюдались вкрапления остаточного аустенита (белого цвета). Малая пористость материала в этой зоне обусловлена выходом пор на поверхность во время существования жидкой фазы. Из-за высокой скорости протекания процесса ЛО все поры из зоны расплавления не успевали подняться к поверхности материала и образовалась зона II - зона оплавления с исходной пористостью. Структура в этой зоне также мартенситная, микротвердость всей зоны оплавления высокая - до 1000 HV0,05 (рис. 2, б). Зона III соответствовала закалке из твердого состояния (рис. 2, г). Структура материала в этой зоне представляла собой перлит с сеткой цементита. Микротвердость в этой зоне плавно снижалась до значений микротвердости основного материала - зоны IV. а б в г Рис. 1. Микроструктура поверхностного слоя образцов при 5-кратном увеличении, d - 2 мм: а - П - 10 %, I - 16 кВт/см2, v - 1 см/с; б - П - 4 %, I - 16 кВт/см2, v - 1,2 см/с; в - У10, I - 16 кВт/см2, v - 0,8 см/с; г - П - 8 %, I - 12 кВт/см2, v - 1 см/с б а в г Рис. 2. Образец из ПА-ЖГр с пористостью 10 %, обработанный по режиму W = 16 кВт/см2, V = 0,8 см/с, d = 2 мм, а - макроструктура, б - график изменения микротвердости, в - микроструктура зоны I, г - микроструктура зоны III Для исследования геометрии зоны воздействия с использованием данных, полученных при полном факторном эксперименте [20], были построены трехмерные зависимости по двум изменяющимся параметрам (рис. 3). а б в г Рис. 3. Зависимость глубины воздействия h от совокупности параметров обработки при d = 2 мм: а - У10; б - П - 4 %; в - П - 8 %; г - П - 10 % Следует отметить увеличение глубины воздействия при увеличении плотности мощности лазерного излучения, а также при уменьшении скорости обработки. Также наблюдалось увеличение глубины воздействия с повышением пористости образца. По увеличению наклона модели по осям X и Y, характеризующим скорость обработки - v и плотность мощности - I соответственно, можно судить об увеличении влияния указанных параметров на глубину воздействия с увеличением пористости образца. Это объясняется уменьшением рассеивания тепла вглубь материала при увеличении пористости образца, в результате чего тепловое воздействие внутри материала продлевается с увеличением пористости. Микротвердость поверхностного слоя для любой пористости имела схожие значения, при некоторых режимах достигая 900-1000 HV. Так, например, при d = 2 мм; I = 12 кВт/см2; v = 0,8 см/с микротвердость поверхностного слоя лежала в диапазоне 650-850 HV (рис. 4). Стоит отметить, что при повышении пористости глубина, на которой происходило увеличение микротвердости, уменьшалась. Так, например, упрочнение беспористой стали У10 происходило до глубины 300-350 мкм, что соответствует глубине зоны термического влияния, а порошковой при П = 10 % - до глубины 200-250 мкм. Это обусловлено также лучшим теплоотводом менее пористого материала. Рис. 4. График зависимости микротвердости от глубины для 0, 4, 8, 10 % пористости при d = 2 мм; I = 12 кВт/см2; v = 0,8 см/с В случае обработки пористых образцов возможно формирование трещины вокруг зоны термического влияния, проходящей по границам зерен (рис. 5), что негативно сказывается на прочностных характеристиках поверхности вплоть до отделения обработанной области от исходного материала. а б в г Рис. 5. Трещина вокруг зоны термического воздействия при d = 2 мм: а - П - 4 %, I - 16 кВт/см2, v - 1 см/с; б - П - 10 %, I - 8 кВт/см2, v - 0,8 см/с; в - П - 10 %, I - 16 кВт/см2, v - 1 см/с; г - П - 10 %, I - 16 кВт/см2, v - 0,8 см/с Рис. 6. Зависимость глубины упрочнения сталей от режимов ЛО: ПА-ЖГр и У10, диаметр пятна лазера 2 мм Образование трещины обусловлено термической усадкой ванны расплава при оплавлении поверхности, термическими напряжениями на границе раздела фаз, а также конденсацией пор на границе термического воздействия. Вследствие этого режимы обработки для литых изделий не всегда применимы к пористым сталям. Исследовано влияние пористости порошковых сталей на граничные значения параметров ЛО, обеспечивающих повышение микротвердости поверхности без образования трещин в подповерхностой зоне (рис. 6). Установлено, что для литой стали У10 ЛО может производиться с любым сочетанием режимов без риска образования трещин. Исследования порошковых сталей показали, что в зависимости от пористости параметр не должен превышать 0,4 для пористости 4 %, 0,32 для пористости 8 % и 0,24 для пористости 10 %. Выводы В результате проведенных исследований установлено, что с повышением пористости образца увеличиваются геометрические параметры зоны термического воздействия, а также усиливается влияние параметров лазерной обработки на геометрию зоны термического воздействия. Пористость не влияет на микротвердость поверхностного слоя, которая может достигать 900-1000 HV0,05, однако влияет на глубину упрочнения. Так, при меньшей пористости упрочнение происходит на большую глубину и для литого образца У10 глубина упрочнения соответствует глубине зоны термического влияния. Определен параметр ниже которого не образуется трещина в пористых сталях, ухудшающая прочностные свойства поверхности.

About the authors

E. V Usynin

Perm National Research Polytechnic University

S. A Oglezneva

Perm National Research Polytechnic University

E. A Morozov

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 29

PDF (Russian) - 14

Refbacks

• There are currently no refbacks.