Калашникова М. С., Белова С. А.,
Постников В. С., Игнатов М. Н., г. Пермь

ПОВЫШЕНИЕ СЛУЖЕБНЫХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТИ КОНСТРУКЦИОННЫХ НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ МЕТОДОМ ЛАЗЕРНОГО ЛЕГИРОВАНИЯ

Установлены закономерности формирования структуры слоев лазерного легирования. Проведены испытания на общую коррозию поверхности сталей после лазерной обработки. Определена износостойкость легированных слоев в различных средах испытания. Изучено влияние температурно-временных параметров на структуру и свойства поверхностных слоев.

Лазерные технологии позволяют успешно решать проблему создания материалов с заданным комплексом свойств путем целенаправленного формирования структуры. При лазерном легировании можно формировать такие свойства поверхности, которые обладают высоким уровнем твердости, теплостойкости, износостойкости и коррозионной стойкости.

Цель работы заключалась в комплексном исследовании закономерностей формирования поверхностных слоев при импульсном лазерном легировании конструкционных низкоуглеродистых сталей для повышения служебных свойств изделий.

В результате импульсного лазерного легирования композицией (В₄С+Cr) на поверхности сталей 12ХН3А и 12Х2Г2НМФТ формируются слои глубиной 0,15–0,25 мм. Микрорентгеноспектральным анализом установлено, что после лазерной обработки происходит интенсивное насыщение поверхностных слоев легирующими элементами, например, содержание хрома в слоях возрастает в 9–13 раз. В фазовом составе слоев присутствуют сильно пересыщенные твердые растворы на основе a– и g–модификаций железа, а также бориды и карбиды хрома и железа.

Лазерное легирование значительно повышает микротвердость поверхности сталей (до 10–20 ГПа) в зависимости от материала основы.

Коррозионную стойкость оценивали по величине показателя сплошной или общей коррозии Dm по ГОСТ 9.908–85, а также по скорости коррозии. Сравнительные испытания на коррозионную стойкость проводили при комнатной температуре в растворах H₂SO₄, КОН и морской воде в течение 0,75; 1,5; 3; 6 часов.

Установлено, что в кислой и нейтральной средах разрушение легированных слоев происходит в результате протекания питтинговой коррозии. В щелочной среде наряду с питтинговой коррозией присутствует межкристаллитная коррозия. Коррозионная стойкость поверхностных слоев стали 12ХН3А после шестичасовой выдержки в 10%–ном растворе H₂SО₄ сопоставима с коррозионной стойкостью стали 20Х13, взятой для сравнения.

Испытания на износ в условиях трения скольжения проводили на машине трения СМЦ–2 при нагрузках 25–1800 Н. В качестве рабочих сред использовали индустриальное масло И–70А; 0,5 М морскую воду; воздух. Испытания проводили при постоянной скорости скольжения 1,3 м/с при комнатной температуре. По изменению линейной интенсивности изнашивания судили о степени износа легированных слоев. Износостойкость легированных слоев увеличилась в 1,5–7 раз по сравнению с необработанными лазерным излучением поверхностями.

Механизмом изнашивания является гидроабразивное взаимодействие при граничном трении. Поверхности трения контртела и легированного слоя отличаются характерными для микрорезания рисками и полосами скольжения. При изнашивании на воздухе также преобладает механическое разрушение. В ходе изнашивания происходит частичный перенос металла контртела на поверхность образца. В морской воде преобладает окислительный вид изнашивания. Характер износа существенно отличается от двух предыдущих тем, что на поверхности контртела и образца отчетливо видны не только полосы скольжения, но и питтинги, покрывающую зону трения ограниченными участками.

Структура слоев лазерного легирования обладает высокой термической устойчивостью. Размер частиц упрочняющих фаз увеличивается от 0,1–0,3 до 0,4–0,6 мкм. При нагреве слоев до 900 °С происходит снижение микротвердости в 2–3 раза по сравнению с исходными. Выдержка в течение 6 часов при 900 °С не приводит к полному разупрочнению легированных слоев, микротвердость слоя остается выше микротвердости материала основы на 80%.

После нагрева скорость коррозии легированных слоев уменьшается в 3–8 раз (соответственно для 300 и 900 °С) по сравнению со скоростью коррозии слоев, не подвергавшихся термической обработке. Однако с увеличением длительности выдержки от 1 до 6 ч при 900 °С скорость коррозии значительно возрастает.

Наиболее высокую износостойкость в масле, морской воде и на воздухе показали легированные слои, нагретые на 300 °С.

Использование метода лазерного легирования позволяет увеличить срок службы деталей оборудования в 2-4 раза за счет повышения их служебных свойств.

Литература

1.    Трение, изнашивание и смазка: Справочник. В 2-х кн. – Кн. 1 / Под ред. И.В. Крагельского, В.В. Алисина. – М.: Машиностроение, 1978. – 400 с.

2.    Терегулов Н.Г., Соколов Б.К., Варбанов Г., Малышев Б.С., Неганов М.И., Ерофеев Е.Ю. Лазерные технологии на машиностроительном заводе. – Уфа, 1993. – 264 с.

3.    Структура и коррозия металлов и сплавов: Атлас. Справ. изд. / И.Я. Сокол, Е.А. Ульянин, Э.Г. Фельдгандлер и др. – М.: Металлургия, 1989. – 400 с.

4.    Реди Дж. Промышленные применения лазеров / Пер. с англ. В.А. Афанасьева, Е.А. Верного, К.Б. Шерстнева. – М.: Мир, 1981. – 640 с.

5.    Обзор и прогноз лазерных рынков // Технология машиностроения. – 2000. – № 4. –  С. 69– 75.