Повышение контактной прочности функциональных поверхностей стальных изделий при лазерной обработке
Рассмотрены технологии получения высокопрочных борохромированных слоев, формируемых методами оплавления диффузионных покрытий и лазерного легирования из обмазок. Приведены результаты натурных испытаний установочных элементов технологической оснастки.
Рубрика | Производство и технологии |
Вид | статья |
Язык | русский |
Дата добавления | 27.05.2018 |
Размер файла | 477,4 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
ПОВЫШЕНИЕ КОНТАКТНОЙ ПРОЧНОСТИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ ПРИ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКЕ
И.В. Говоров
Рассмотрены технологии получения высокопрочных борохромированных слоев, формируемых методами оплавления диффузионных покрытий и лазерного легирования из обмазок. Приведены результаты натурных испытаний установочных элементов технологической оснастки, изготовленных из сталей 20, 40Х, 45 и упрочненных с использованием разработанных технологий.
Методы поверхностной лазерной обработки [1], несмотря на высокую стоимость соответствующего оборудования и интенсивный рост цен на энергоносители, остаются одним из перспективных направлений обеспечения контактной прочности деталей машин и технологической оснастки. Это объясняется локальным характером воздействия излучения на обрабатываемую поверхность, практически полностью исключающим тепловые деформации изделий, а также возможностью введения в зону лазерной обработки различными способами легирующих компонентов, что позволяет создавать поверхностные слои с уникальными физико-механическими и эксплуатационными свойствами. Дополнительный интерес у специалистов вызывает применение лазерных технологий для восстановления изношенных функциональных поверхностей деталей с одновременным повышением их ресурса.
Технология поверхностного модифицирования изделий с использованием лазерной энергии включает следующие этапы:
- нанесение легирующих компонентов на обрабатываемую поверхность;
- оплавление обрабатываемой поверхности лучом лазера;
- механическую обработку упрочненной поверхности.
Исследовались прочностные свойства лазерных покрытий, получаемых на образцах из сталей 20, 40Х и 45, на основе бор- и хромсодержащих компонентов. Выбор процесса борохромирования объясняется тем, что при совместном насыщении обрабатываемой поверхности стальных изделий хромом и бором в модифицированном слое наряду с высокопрочными, но хрупкими боридами железа образуются также и бориды хрома, обладающие как значительной твердостью (до HV 2300), так и высокой трещиностойкостью при динамических нагрузках [2]. Поскольку бориды хрома и железа изоморфны, имеют одинаковый характер связи и близкие параметры решетки, взаимно растворимы друг в друге, а атомные диаметры хрома и железа близки по величине, при борохромировании в поверхностном слое создаются условия для образования непрерывного ряда твердых растворов. Формирующаяся при этом однородная (в отличие от иглообразной при борировании) структура способствует, кроме того, возникновению благоприятной для контактного нагружения эпюры остаточных напряжений.
Рассматривались два способа введения легирующих компонентов в упрочняемую (восстанавливаемую) поверхность: лазерное оплавление диффузионных борохромированных слоев, полученных в результате химико-термической обработки (ХТО), и лазерное легирование из обмазок. Структурные схемы этих процессов, выполненные на основе системного подхода [3], приведены на рис. 1.
Все составы для предварительного диффузионного насыщения, осуществляемого в муфельной электропечи в специальном герметичном контейнере [4], включали: 1) бор- и хромсодержащие вещества (основные насыщающие компоненты); 2) активаторы (для ускорения процесса диффузии); 3) инертные добавки (для предотвращения спекания смеси).
В состав используемых обмазок также входили содержащие бор и хром соединения и, кроме этого, дополнительные компоненты, позволяющие повысить эффективность обработки (толщину формируемого покрытия, контактную прочность, трещиностойкость). Подготовленные мелкодисперсные составляющие обмазки перемешивались в связующем веществе и наносились на упрочняемую (восстанавливаемую) поверхность распылением струей сжатого воздуха [5].
Рис. 1. Структурная схема процессов лазерного оплавления диффузионных покрытий и лазерного легирования из обмазок
прочность стальной лазерный обработка
Обработка поверхностей осуществлялась на технологической лазерной установке «Квант-18М», работающей в режиме свободной генерации на длине волны = 1,06 мкм. Металлографические исследования получаемых покрытий осуществлялись на микроскопах МИМ-7 и МБС-2. Микротвердость измерялась на микротвердомере ПМТ-3. Для испытаний на контактную прочность использовалась специальная установка ударно-циклического нагружения. Критерием оценки контактной прочности был принят диаметр остаточного отпечатка после удара (одно- или многократного) по исследуемой поверхности конического твердосплавного индентора ( = 1200, ВК 8) [6] с определенной энергией.
Натурные испытания упрочненных опорных призм технологической оснастки, изготовленных из исследуемых материалов, проводились на специально разработанной установке, имитирующей цикл работы реального приспособления: установка заготовки - закрепление - выдержка под нагрузкой - снятие нагрузки - снятие заготовки. В качестве контртел использовались сменные образцы из стали 45 (HRCэ 52). Абсолютный износ после установленного числа циклов нагружения оценивался по профиллограммам, обработанным с помощью ЭВМ.
Таблица
Результаты исследований прочностных свойств диффузионных борохромированных слоев
№ сос-тава |
Содержание компонентов, мас. % |
ХТО |
ХТО + лазерная обработка |
||||||||||
B2O3 |
B4C |
Cr2O3 |
Al |
CaF2 |
NaF |
Al2O3 |
MgO |
Микро- твердость, HV |
Диаметр отпечатка, мкм |
Микро- твердость, HV |
Диаметр отпечатка, мкм |
||
1 |
20 |
- |
10 |
20 |
7 |
3 |
40 |
- |
1480 |
430 |
2130 |
306 |
|
2 |
20 |
- |
25 |
15 |
10 |
5 |
25 |
- |
1310 |
439 |
1750 |
390 |
|
3 |
20 |
- |
10 |
20 |
15 |
10 |
25 |
- |
1520 |
426 |
1760 |
385 |
|
4 |
20 |
- |
10 |
20 |
10 |
5 |
- |
35 |
1340 |
463 |
1600 |
418 |
|
5 |
20 |
- |
10 |
20 |
10 |
5 |
15 |
20 |
1350 |
450 |
1610 |
418 |
|
6 |
20 |
- |
10 |
20 |
20 |
- |
30 |
- |
800 |
580 |
980 |
488 |
|
7 |
30 |
- |
10 |
20 |
10 |
5 |
25 |
- |
1370 |
445 |
1820 |
336 |
|
8 |
20 |
10 |
10 |
20 |
10 |
5 |
25 |
- |
1510 |
426 |
1730 |
385 |
|
9 |
10 |
20 |
10 |
20 |
10 |
5 |
20 |
5 |
1620 |
420 |
1830 |
328 |
|
10 |
- |
30 |
10 |
15 |
10 |
5 |
30 |
- |
1780 |
407 |
2340 |
283 |
|
11 |
- |
43 |
11 |
3 |
11 |
5 |
- |
27 |
1760 |
405 |
2120 |
300 |
|
12 |
- |
40 |
10 |
3 |
17 |
- |
30 |
- |
1620 |
418 |
1840 |
325 |
|
13 |
- |
60 |
9 |
3 |
13 |
- |
15 |
- |
1610 |
415 |
1820 |
328 |
Диффузионное насыщение поверхностей исследуемых образцов соединениями хрома и бора позволяет сформировать упрочненный слой толщиной 80…100 мкм с поверхностной микротвердостью до HV 1600 (таблица). Оплавление поверхностей лучом лазера повышает их микротвердость на 10…20 %, однако небольшая глубина лазерного воздействия (до 50 мкм) не позволяет говорить о высокой эффективности получаемого покрытия.
Это подтверждают и результаты испытаний образцов на контактную прочность (рис. 2): если при однократном нагружении диаметр остаточного отпечатка на обработанных лазером поверхностях существенно (на 30…40 %) меньше, чем на необработанных, то скорость накопления деформации (тангенс угла наклона соответствующих прямых) для них гораздо выше, и уже при 100 циклах нагружения диаметры остаточных отпечатков выравниваются, что указывает на разрушение упрочненного лазером слоя.
Рис. 2. Зависимость остаточной деформации от числа циклов контактного нагружения для различных покрытий: 1 - ХТО (состав № 6, табл.); 2 - то же + лазерная обработка; 3 - ХТО (состав № 10, табл.); 4 - то же + лазерная обработка
Более технологичным и эффективным методом поверхностной лазерной обработки является легирование изделий из обмазок. Разработку составов обмазок предлагается начинать с простых двухкомпонентных комбинаций бор- и хромсодержащих веществ.
Рис. 3. Зависимость остаточной деформации от числа циклов нагружения образцов из стали 45 при различных вариантах лазерного легирования:
1 - борирование (100 % B2O3); 2 - хромирование (100 % Cr2O3);
3 - борохромирование (70 % B2O3 + 30 % Cr2O3)
Экспериментальные исследования позволили определить оптимальное (по критерию максимальной микротвердости) соотношение следующих пар компонентов: B2O3 + Cr2O3; B2O3 + феррохром; B4C + Cr2O3. На рис. 3 приведены зависимости диаметра остаточного отпечатка от числа циклов нагружения образцов из стали 45 при различных вариантах лазерного легирования (комбинация B2O3 + Cr2O3). Контактная прочность поверхностей образцов, упрочненных лазером с использованием обмазок, обеспечивающих максимальную микротвердость, существенно выше, чем при борировании (100 % B2O3) или хромировании (100 % Cr2O3). При этом на испытуемых поверхностях после 500 циклов нагружения отсутствуют трещины, сопровождающие процесс разрушения покрытия (пунктирный отрезок прямой 2 на рис. 3). Из всех исследуемых материалов наиболее высокие прочностные показатели соответствуют борохромированным слоям на образцах из стали 40Х: поверхностная микротвердость до HV 1950, диаметр остаточного отпечатка при однократном нагружении на 60 % меньше, чем на борохромированных поверхностях образцов из стали 20, и на 30 % - из стали 45.
Разработанные двухкомпонентные составы являются базовыми для комплексных обмазок, которые формируются из базовых путем введения дополнительных компонентов. Так, достаточно эффективным оказалось добавление в обмазку Cr2O3 + B2O3 некоторого (до 10 %) количества углерода (графита), способствующего более интенсивному поглощению световой энергии, а следовательно, проплавлению основного материала на большую глубину, восстановлению активных атомов хрома и бора и синтезу карбоборидов хрома, обеспечивающих в смеси с боридами хрома и железа высокие эксплуатационные свойства поверхностного слоя. В результате глубину упрочнения удалось повысить на 30...40 % при некотором увеличении микротвердости (до HV 2000).
Увеличить глубину легирования до 290 мкм на образцах из сталей 20 и 45 удается путем введения в обмазку на основе B4C + Cr2O3 ферросилиция, обладающего небольшой температурой плавления и, следовательно, высокой жидкотекучестью. При этом эффект упрочнения сопровождается более интенсивным процессом кавитационного перемешивания составляющих лигатуры в расплавленном поверхностном слое упрочняемого материала, что обеспечивает поверхностную микротвердость HV 2100 и снижение диаметра остаточного отпечатка на 10...15 % по сравнению с базовым составом.
С целью повышения прочностных свойств борохромированных покрытий рассмотрена возможность введения в состав двухкомпонентной обмазки B + Cr2O3 оксида титана TiO2. Известно, что при борировании титана в аморфном боре на его поверхности образуются дибориды TiB2, обладающие высокой микротвердостью (HV 3400). Как показывают промышленные испытания, полученные боротитанированные покрытия эффективно защищают изделия от газовой коррозии, гидроэрозии, интенсивного абразивного износа, однако проявляют чрезвычайную хрупкость даже в условиях статических нагрузок. В то же время анализ литературных источников и собственные экспериментальные исследования [5] показали, что совместное насыщение упрочняемой стальной поверхности хромом и титаном сопровождается образованием на ней слоя карбида титана TiC с микротвердостью HV 3300, за которым следует пластичный слой, представляющий собой -твердый раствор хрома в железе. Таким образом, разработанная комбинация B + Cr2O3 + TiO2, обеспечивая формирование высокопрочных карбидов и боридов титана в пластичной матрице переходной зоны и основного металла, позволяет повысить микротвердость упрочняемых поверхностей на образцах из стали 40Х в 1,6 раза (до HV 2200) с уменьшением остаточной деформации при однократном нагружении на 12...16 % по сравнению с двухкомпонентным составом.
Слои, получаемые при лазерном модифицировании поверхностей стальных изделий соединениями титана, характеризуются склонностью к трещинообразованию, поэтому их использование в условиях динамических нагрузок не всегда целесообразно, несмотря на рассмотренный эффект при совместном с бором и хромом лазерном насыщении упрочняемой поверхности. Вместе с тем высокими прочностными свойствами обладают слои на основе карбида кремния благодаря его повышенной микротвердости (HV 3200) и тепловой устойчивости, практически исключающей разложение соединения под действием концентрированных источников тепловой энергии. Однако различие в теплофизических свойствах карбида кремния и железа приводит к тому, что при непосредственном легировании сталей карбидом кремния не происходит равномерного распределения его в расплавленной лучом лазера железной матрице. Результатом является неравномерное распределение микротвердости по упрочненной поверхности. Целенаправленное решение этой проблемы позволило разработать обмазку на основе феррохрома (ФХ70) и B2O3 с добавлением карбида кремния SiC, обеспечивающую на сталях 40Х и 45 поверхностную микротвердость до HV 2500 при снижении числа трещин в 5-6 раз (при приложении ударной нагрузки с энергией 2,94 Дж) по сравнению с исходной обмазкой.
Рис. 4. Изменение величины абсолютного износа опорных призм:
1 - из стали У10А; 2 - стали 20 (обмазка B4C+Cr2O3+ФС65);
3 - стали 45 (обмазка B2O3+ФХ70+SiC); 4 - стали 40Х (обмазка B2O3+ФХ70+SiC)
Как показывают результаты сравнительного анализа износостойкости упрочненных изделий (опорных призм) (рис. 4), изготовленных из исследуемых и инструментальной (У10А) сталей, наименьший износ при равных условиях нагружения имеют образцы из стали 40Х после борохромирования из обмазки B2O3 + ФХ70 + SiC (в среднем на 25...30 % меньше, чем для борохромированной из наиболее рационального состава стали 20, и в 1,7...1,9 раза меньше, чем для стали У10А).
Рассмотренные технологические методы могут быть использованы для обеспечения и повышения контактной прочности функциональных поверхностей как при восстановлении изношенных деталей (при ограниченной величине износа), так и при упрочнении вновь изготовляемых. Лазерное оплавление диффузионных покрытий целесообразно для стальных изделий, не подвергающихся значительным контактным нагрузкам, а также для устранения поверхностных дефектов, возникающих в процессе ХТО в виде пористости. Лазерное легирование из обмазок является более технологичным методом, позволяющим изменять физико-механические свойства получаемых покрытий путем изменения состава легирующих компонентов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Григорьянц, А.Г. Методы поверхностной лазерной обработки / А.Г. Григорьянц, А.Н. Сафонов. - М.: Высш. шк., 1987. - 192 с.
2. Ворошнин, Л.Г. Борирование стали / Л.Г. Ворошнин, Л.С. Ляхович. - М.: Металлургия, 1978. - 240 с.
3. Константинов, В.М. Ресурсо-энергосберегающий потенциал применения диффузионно-легированных сплавов в реновационных технологиях / В.М. Константинов, Ф.И. Пантелеенко // Тяжелое машиностроение. - 2004. - № 2. - С. 21-27.
4. Колесников, Ю.В. Получение стойких при контактных ударах покрытий различными способами борохромирования / Ю.В. Колесников, В.А. Ананьевский, И.В. Говоров // Физико-химическая механика материалов. - 1989. - № 1. - С. 101-104.
5. Говоров, И.В. Повышение поверхностной прочности углеродистой стали при лазерном нанесении хромсодержащих покрытий / И.В. Говоров, Ю.В. Колесников, Л.И. Миркин // Физика и химия обработки металлов. - 1988. - № 5. - С. 68-71.
6. Колесников, Ю.В. Методика и установка для определения показателей роста деформаций при контактном ударно-циклическом нагружении / Ю.В. Колесников // Заводская лаборатория. - 1987. - № 11. - С. 80-82.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Источники примесей для диффузионного легирования кремния и технология диффузии примесей в кремний. Технология и оборудование для проведения процесса диффузии и контроля параметров диффузионных слоев. Использование разработанных источников диффузанта.
дипломная работа [1,5 M], добавлен 07.07.2003Основные методы и технологии защиты внутренних и внешних поверхностей труб водопроводных и тепловых систем. Кинетика образования диффузионных хромовых покрытий. Особенности нанесения покрытий на трубы малого диаметра. Условия эксплуатации изделия.
дипломная работа [2,1 M], добавлен 22.06.2011Создание технологической схемы малоотходной технологии производства покрытий. Расчет материальных балансов процессов. Выбор основного и вспомогательного оборудования для процессов получения покрытий, очистки СВ и воздуха. Основы процесса цинкования.
дипломная работа [1,2 M], добавлен 26.10.2014Лазерная размерная технология при обработке микроотверстий с использованием современного лазерного оборудования. Главные факторы, влияющие на глубину и диаметр получаемого отверстия. Машины МЛ-4, МЛ-2. Методы повышения точности размерной обработки.
презентация [269,0 K], добавлен 20.07.2015Изучение причин брака при изготовлении изделий на токарных станках. Характеристика организации труда и рабочего места токаря. Исследование технологической оснастки, применяемой при обработке изделий резанием. Описания кузнечнопрессового производства.
отчет по практике [1,4 M], добавлен 02.05.2011Медико-биологические основы взаимодействия лазерного излучения с кожей человека. Преимущества и недостатки лазерной эпиляции, допустимые уровни лазерного излучения. Конструкция и принцип действия лазерной установки, расчет параметров оптической системы.
курсовая работа [126,8 K], добавлен 24.10.2009Обработка поверхностей инструментальной оснастки лазерным излучением. Структурные составляющие модифицированного слоя легированных сталей. Изменение скорости лазерной обработки поверхностного слоя. Распределение микротвердости в поверхностном слое.
статья [602,6 K], добавлен 29.06.2015Характеристика оборудования для изготовления резиновых изделий. Расчет гнездности оснастки, исполнительных размеров формообразующих деталей, параметров шины, установленного ресурса оснастки. Материалы деталей, их свойства, технология переработки.
курсовая работа [649,7 K], добавлен 30.10.2011Применение наплавки для повышения износостойкости трущихся поверхностей в машиностроительном производстве. Технологические процессы лазерной обработки металлов. Технология нанесения покрытий лазерным оплавлением предварительно нанесенного порошка.
реферат [682,4 K], добавлен 22.02.2017Склеивание как неразъемное соединение деталей изделий путем обмазки соединяемых поверхностей изделия веществом. Краткая характеристика преимуществ применения двухкомпонентных клеев и высокопрочных клейких лент. Химические методы обработки поверхностей.
презентация [818,5 K], добавлен 11.12.2016