Лазерное легирование неметаллами

Азотирование. Лазерное азотирование стали возможно из азотсодержащих обмазок на основе карбамида, хлористого аммония и др. Насыщение тугоплавких металлов может быть также реализовано в струе азота.

Структура поверхностного слоя армко-железа после лазерной обработки с предварительным нанесением обмазки, содержащей карбамид СО (NН₂), характеризуется мелким зерном, имеющим реечное строение. Микротвердость слоя в зоне плавления составляет 5030МПа.

Лазерное легирование азотом сталей 40Х и 38Х2МЮА не дает повышения микротвердости зон плавления по сравнению с ЛТО.

Микротвердость зоны легирования стали 40Х использованием обмазки (50%NH₄Cl + 50% графита), содержащей.азот и углерод, составляет 6800МПа. Для структуры зоны плавления в этом случае характерны игольчатые выделения нитридных (или мартенситных) кристаллов.

Лазерное легирование из азотсодержащей обмазки позволяет повысить микротвердость зон плавления по сравнению с ЛТО. Для сталей 15Х11МФ и 11Х11Н2В2МФ после закалки она составляла соответственно 6500 и. 4730МПа, а после азотирования - 9500 и 6840МПа.

При лазерном азотировании этих сталей с использованием обмазки, содержащей карбамид, в режиме оплавления на рентгенограммах образцов фиксируются пики, соответствующие аустениту. Это вызвано тем, что азот является g -стабилизатором, при этом наблюдается незначительное уменьшение концентрации хрома и молибдена в зоне плавления у границы с основным металлом.

Геометрические параметры упрочненной зоны зависят от толщины обмазки и энергии излучения. Увеличение толщины слоя обмазки вследствие поглощения энергии вызывает уменьшение размеров зон упрочнения при ЛХТО по сравнению с ЛТО.

Наряду с увеличением твердости после лазерного азотирования повышается и эрозионная стойкость стали.

Каплеударные испытания показали, что потеря массы для азотированных образцов в 3 раза меньше, чем после обычной или лазерной термообработки. Это объясняется тем, что зона легирования упрочнена нитридными частицами, увеличивающими сопротивление микроударному разрушению, а повышение количества остаточного аустенита при легировании азотом тормозит распространение микротрещин.

Износостойкость технически чистого титана ВТ 1-0 и сплава АТ6 при легировании азотом в воздушной атмосфере повышается в 1,5 раза в условиях испытания врезанием диска из твердого сплава в обрабатываемую поверхность. Сопротивление изнашиванию при этом достигается вследствие выделения в a'-твердом растворе частиц нитрида титана (ТiN).

Цементация. При цементации железа образуется двухслойная зона, состоящая из белого слаботравящегося слоя микротвердостью 14000МПа и расположенного под ним термообработанного слоя с микротвердостью 10000МПа.

Твердость цементированного слоя определяется концентрацией в нем углерода. При невысоком содержании углерода образуется малолегированный аустенит, который распадается при охлаждении с образованием немартенситных продуктов распада. С увеличением концентрации углерода в стали при постоянной энергии импульса и, соответственно, возрастающей концентрации углерода в слое твердость зоны лазерного воздействия возрастает (рис. 68).

Аналогичные данные о повышении твердости получаются при цементации коррозионно-стойких кремнистых сталей с различным содержанием углерода при равных значениях: насыщающей активности источника, толщины обмазки и параметров облучения. Например, после насыщения сталей 12Х13,

20X13, 30X13 и 40X13 углеродом микротвердость поверхностного слоя достигает 15000 МПа, что значительно превышает микротвердость указанных сталей после ЛТО. Так, после ЛТО микротвердость стали 12X13 - 5700МПа, а стали 40X13 - 8240МПа. Большие значения микротвердости указанных сталей после лазерной цементации обусловлены появлением в структуре упрочненных зон большого количества специальных карбидов. При цементации стали 40Х с обмазкой графита

Рис. 68. Зависимость твердости зоны лазерного легирования стали (13% хрома) от содержания углерода (импульсный лазер, Е = 10Дж)

получена микротвердость 10200МПа, а у стали 15Х11МФ -6570МПа. Меньшая микротвердость стали 15Х11МФ связана с повышенным количеством остаточного аустенита в упрочненном слое.

Цементация с использованием железографитовых смесей возможна и в твердом состоянии. В частности, при диффузии углерода в g-Fe при лазерном нагреве последующее скоростное охлаждение фиксирует мартенситную структуру с твердостью, характерной для высокоуглеродистых закаленных сталей.

Лазерное борирование стали. Изменение структуры и твердости при лазерном борировании стали происходит только в зоне плавления.

Основными параметрами, определяющими структуру и микротвердость зон плавления при лазерном легировании бором, являются плотность мощности лазерного излучения и количество наносимой обмазки.

При лазерном борировании стали возможно в режиме плавления регулирование структуры и фазового состава упрочненной зоны. В частности, могут быть сформированы: 1 - двухфазная структура из a-Fe и метастабильного борида Fe₃В; при небольшом слое обмазки образуется мелкозернистая структура, а с увеличением толщины слоя обмазки возникает дендритная структура; II - однофазная зона, состоящая из низшего борида Fe₂B, III - двухфазная боридная структура: Fe₂В + FеВ; IV - однофазная зона высшего борида FеВ. Возможно также образование зон плавления, состоящих из нескольких описанных структур.

Увеличение количества обмазки способствует повышению содержания бора в ванне плавления, при этом образуются плотные слаботравящиеся слои. Зоны плавления, состоящие из боридов Fе₂В и FеВ, формирующиеся при значительном количестве обмазки, обладают повышенной склонностью к трещинообразованию, особенно в случае использования армко-железа. Кроме того, при обработке по режимам, близким к границам переходных зон, возможно образование сферических пор.

Повышение энергии импульсов лазерного излучения увеличивает глубину проплавления и объемы зоны плавления, что, естественно, уменьшает содержание бора в этих зонах. В стали это вызывает формирование зон плавления, структура оказывается дендритной.

Микротвердость различных типов структур зон плавления при легировании железа бором неодинакова. Формирующиеся при небольших количествах обмазки зоны плавления армко-железа, имеющие структуру твердого раствора бора в Fе_a и Fe₃B обладают соответственно микротвердостью 3760 и 4320МПа.

Микротвердость зоны плавления армко-железа, имеющей дендритное строение (Fe+Fe₃B), зависит от режимов обработки и колеблется в пределах 6000-16000МПа.

У стали 40Х после борирования микротвердость аналогичной структуры изменяется в пределах 10000-16000МПа. Зоны плавления армко-железа и стали 40Х, состоящие из борида Fe₂В, имеют одинаковую микротвердость, составляющую 16000-16800МПа. Микротвердость структур, состоящих из Fe₂В и FеВ, зависит от режимов лазерной обработки и изменяется в пределах 16800-18900МПа. Структуре, состоящей из борида FеВ, соответствует микротвердость ~ 18900-20100МПа. При ЛХТО в режиме приплавления достигается чрезвычайно высокая микротвердость, достигающая 35000МПа.

Борированный слой обладает высокой теплостойкостью, которая определяется типом, формируемой структуры. Наиболее высокой теплостойкостью (до 900^оС) обладает зона плавления с боридной структурой (Fe₂B и FеВ) (кривые 4 и 5, рис. 69).

Высокая твердость борированного слоя обеспечивает повышение износостойкости сталей в различных условиях изнашивания: при абразивном изнашивании о закрепленные частицы абразива, при трении скольжения со смазочным материалом, при врезании диска из твердого сплава и др.

Основными параметрами, определяющими износостойкость стали при абразивном изнашивании, являются относительная площадь поверхности, упрочненной лазерной обработкой, и ее твердость.Увеличение относительной площади упрочненной поверхности повышает износостойкость металла.

Поэтому для деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания, необходимо стремиться к созданию изнашиваемой поверхности с максимальной площадью упрочнения. Упрочнение стали в результате лазерного легирования бором повышает микротвердость и уменьшает ее падение в местах перекрытия зон упрочнения при импульсном излучении лазера. Поэтому для деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания, необходимо стремиться к созданию изнашиваемой поверхности с максимальной площадью упрочнения. Упрочнение стали в результате

Рис. 69. Изменение объема вытертой лунки в процессе испытаний на машине Шкода-Савина: 1 - без упрочнения; 2 - ЛТО (Н0,981= 9500МПа); 3 -легирование бором (Н0,981= 13600МПа); 4 - легирование бором (Н0,981= 15600МПа); 5 - легирование бором (Н0,981= 18900МПа)

лазерного легирования бором повышает микротвердость и уменьшает ее падение в местах перекрытия зон упрочнения при импульсном излучении лазера. Максимальная износостойкость достигается при получении двухфазной структуры боридов Fe₂В и FeВ с микротвердостью 16800-18900МПа.

Лазерное борирование повышает также износостойкость в условиях трения скольжения. Легирование стали бором позволяет снизить ее коэффициент трения в паре с закаленной сталью в интервале давлений до 10МПа и тем уменьшить интенсивность изнашивания и повысить несущую способность поверхности.

Прирабатываемость является одной из основных триботехнических характеристик пары трения, определяющей достижение рассматриваемым сопряжением заданной эксплуатационной несущей способности и наименьшей скорости установившегося изнашивания при минимальном приработочном износе.

Оценки прирабатываемости по схеме "ролик-колодка* пары трения колодка (сталь 40Х после лазерного борирования) - ролик (закаленная сталь ШХ15) показали, что изменение коэффициента трения в период приработки определяется микротвердостью зон лазерного упрочнения в результате борирования и площадью такой упрочненной поверхности.

Максимальной прирабатываемостью обладают зоны лазерного упрочнения при борировании стали, которые имеют микротвердость 15000МПа с дендритной структурой эвтектического типа, состоящей из Fe_a и борида Fe₃В.

При малых коэффициентах заполнения поверхности упрочненными зонами приработка связана в основном с процессами микросхватывания материала ролика с неупрочненными участками колодки, так как последние обладают большей пластичностью, чем зоны упрочнения ролика. Этот процесс сопровождается образованием большого количества продуктов изнашивания. Наилучшую прирабатываемость при относительной величине упрочненной поверхности Кз = 0,3-0,6 показали поверхности борированной стали, имеющие зоны упрочнения с микротвердостью 12900-15100МПа, структура которых представляла собой мартенсит и частицы избыточной фазы типа Fe₃B Увеличение относительной площади поверхности, упрочненной борированием, ускоряет стабилизацию силы трения, так как приработка твердых составляющих поверхности происходит быстрее, чем более мягких.

Дата добавления: 2014-01-04