Введение к работе
Актуальность темы
На современном этапе развития техники актуальной является задача разработки металлических материалов с качественно новыми высокими и сверхвысокими свойствами, позволяющими существенно снизить металлоемкость изделий и обеспечить ресурсосбережение. Изменение и усложнение условий эксплуатации машин, узлов и агрегатов требует постоянного совершенствования материалов и модернизации технологий их изготовления.
В последние годы большое внимание уделяется развитию технологий поверхностного упрочнения. Это связано с новым подходом в оценке роли материала в обеспечении конструкционной прочности изделий, согласно которому именно состояние поверхности во многом определяет уровень прочности и эксплуатационные свойства деталей машин и инструмента.
Научно-технический прогресс в таких отраслях, как машиностроение, транспорт, станко-инструментальная отрасль и других высокотехнологичных отраслях экономики, в большой степени связан с совершенствованием применяемых материалов в направлении получения комплекса заданных эксплуатационных свойств.
Принципиально новые высокие и сверхвысокие физико-механические и эксплуатационные свойства изделий могут быть достигнуты путем целенаправленного модифицирования поверхности путем легирования различными элементами или их композициями с использованием высококонцентрированных источников энергии, в том числе лазерного излучения. Достоинством этого метода является возможность бесконтактно, быстро и строго дозированно передавать энергию на поверхность обрабатываемого материала. После лазерной обработки значительно повышается твердость и износостойкость сталей, в особенности содержащих карбидные или нитридные фазы. В настоящее время проведено достаточно много исследований по легированию различных металлов с использованием лазерного нагрева, однако широкого распространения и внедрения в промышленности они пока не нашли. Это связано с негативным влиянием лазерной обработки на остаточные напряжения в поверхностном слое, особенно в сталях с высоким содержанием углерода, и, как следствие, на усталостные характеристики изделий. Именно этот факт ограничивает области применения лазерных технологий и сдерживает их дальнейшее развитие в инженерии поверхности.
Другой известный способ целенаправленного модифицирования стальной поверхности – металлизация, т.е. диффузионное насыщение металлами при печном нагреве, проводится при очень высоких температурах (до 1420С) в течение не менее 6-8 часов, при этом толщина модифицированного слоя не превышает 100 мкм и концентрация легирующих элементов в нем, а следовательно, и твердость резко снижаются от поверхности вглубь.
В связи с этим актуальными являются: изучение процессов, протекающих в поверхностном слое углеродистых сталей при легировании с использованием лазерного и печного нагрева; возможность повышения эффективности лазерной обработки путем применения комплексных методов модифицирования, включающих азотирование и металлизацию; разработка новых комбинированных технологий, позволяющих не только существенно повысить физико-механические и эксплуатационные свойства деталей машин и инструмента за счет активизации максимально возможного количества упрочняющих механизмов, но и заменить дорогостоящие легированные стали на более дешевые и доступные, обеспечить экономию энергоресурсов и расходных материалов, сократить длительность процессов и повысить эффективность обработки, по сравнению с традиционными методами упрочнения конструкционных и инструментальных сталей.
Целью настоящей работы является разработка новых высокоэффективных ресурсосберегающих технологий поверхностного упрочнения углеродистых сталей с использованием лазерной и химико-термической обработки для формирования функциональных модифицированных слоев и повышения эксплуатационных свойств стальных деталей различного назначения.
Научная новизна
-
Установлены закономерности влияния лазерной обработки на структуру, фазовый состав, микротвердость, остаточные напряжения, прочность и износостойкость модифицированных поверхностных слоев углеродистых сталей.
-
Построена расчетная модель, связывающая параметры структуры с уровнем упрочнения высокоуглеродистых сталей, подвергнутых лазерному легированию различными легирующими элементами. Адекватность модели подтверждена экспериментальными исследованиями влияния лазерного легирования различными легирующими элементами на микротвердость и прочность поверхностного слоя углеродистых сталей.
-
Построена расчетная модель для прогнозирования уровня упрочнения высокоуглеродистых сталей при комбинированной обработке, заключающейся в лазерном легировании и последующем азотировании. На основе расчетов установлено, что азотирование высокоуглеродистых сталей, легированных при лазерном нагреве, не снижает их уровня прочности.
-
Установлены закономерности влияния технологических параметров комбинированной обработки высокоуглеродистых сталей на структуру, фазовый состав, микротвердость, остаточные напряжения, прочность и износостойкость модифицированных поверхностных слоев. Показано, что азотирование лазерно-легированного слоя не снижает поверхностной твердости, повышает теплостойкость до 600С, устраняет неблагоприятные растягивающие остаточные напряжения на границе зоны термического влияния с основным металлом и повышает износостойкость.
-
Предложен новый способ двухстадийной технологии модифицирования поверхности конструкционных сталей, включающий локальное лазерное легирование и металлизацию в атмосфере аммиака, позволяющий получать металлизированный слой толщиной до 140 мкм в течение 3 часов при температуре 700С. Установлено, что механизм интенсификации процесса двухстадийной металлизации обусловлен: 1) наличием в шликерной обмазке галогенидов, являющихся катализатором транспортных реакций; 2) диффузией легирующего элемента одновременно из лазерно-легированных зон и из шликерной обмазки; 3) снижением температуры превращения в присутствии азота в насыщающей среде.
Практическая значимость и реализация результатов работы
Разработаны технологические варианты для формирования функциональных модифицированных слоев и повышения эксплуатационных свойств стальных деталей различного назначения:
Поверхностное легирование углеродистых сталей с использованием лазерного нагрева;
Комбинированная обработка высокоуглеродистых сталей, заключающаяся в лазерном легировании с последующим азотированием;
Двухстадийная технология модифицирования поверхности конструкционных сталей, заключающаяся в локальном лазерном легировании с последующей термодиффузионной металлизацией в атмосфере аммиака.
Комплексное модифицирование поверхности конструкционных сталей, сочетающее двухстадийную технологию металлизации и азотирование.
Определены рациональные диапазоны технологических параметров обработки (мощность и скорость перемещения лазерного луча, тип легирующего элемента, температура и длительность термодиффузионной металлизации и азотирования) для формирования модифицированных слоев заданного строения и толщины и обеспечения требуемых свойств поверхности деталей различного назначения.
Показана возможность применения разработанных технологий для упрочнения изделий из конструкционных и инструментальных сталей. Применение такой обработки обеспечивает повышение прочности, твердости и износостойкости поверхности деталей. Разработанные технологии защищены двумя патентами на изобретение №2428503 и №2415964, приоритет от 26 октября 2009 года.
Технология двухстадийной металлизации конструкционных углеродистых и низколегированных сталей прошла промышленное опробование на заводе «ЗАО КОММАШ». Испытания ползунов для автомобиля БМ 5551, изготовленных из стали 40 и упрочненных по разработанной технологии, показали увеличение ресурса обработанных деталей в 2,5 раза.
Технология комбинированного поверхностного упрочнения углеродистых сталей лазерным легированием с последующим азотированием прошла промышленное опробование на Людиновском тепловозостроительном заводе. В процессе эксплуатации штампа, оснащенного инструментом, упрочненным по комбинированной технологии, было показано, что стойкость инструмента увеличилась в 1,5 - 2,5 раза по сравнению со стойкостью инструмента, изготовленного по стандартной технологии.
Комплексная технология модифицирования поверхности была применена для упрочнения быстроизнашивающихся полуосей гоночного автомобиля Формулы Гибрид, который был создан коллективом студентов и аспирантов МАДИ и принял участие в чемпионате мира в США.
Апробация результатов работы
По теме диссертации опубликовано 14 печатных трудов, в том числе 2 патента. Основные положения диссертации изложены и обсуждены на 16-м международном симпозиуме «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» им. А.Г. Горшкова (г. Ярополец, 2010г.); на Международной научно-методической конференции «Современные проблемы технологий конструкционных материалов и материаловедения» (г. Харьков, 2009г.); на 7-й Международной конференции «Инновации в науке и образовании 2009» (г. Калининград); на 12-й Международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении» (г. Брянск, 2010г.); на 3-й научно-технической конференции по термической обработке «Новые стали для машиностроения и их термическая обработка» (г. Тольятти, 2011г.); на научно-технической конференции, посвященной 5-летию научной и научно-технической деятельности ЦФМК в ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П.Бардина» 2011г; на научно-методических и научно-исследовательских конференциях МАДИ (65-й (2007г.), 66-й (2008 г.), 67-й (2009 г.), 68-й (2010 г.), 69-й (2011г.), 70-й (2012г.)).
Работа выполнялась на кафедре металловедения и термообработки Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ) в соответствии с планами научно-исследовательских работ. Отдельные этапы работы выполнялись в рамках НИР:
«Теория и практика модифицирования поверхности металлов с использованием лазерных технологий и ультразвука» в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.
Создание научно-методологического комплекса для управления наноструктурой поверхностного слоя металлов методами химико-термической обработки» в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения 7 глав, библиографического списка из 92 источников. Работа содержит 160 страниц основного текста, 67 рисунков, 21 таблицу. В приложениях содержатся акты опробования результатов работы и копии патентов.
