Новости лазерных технологий.

Получена квазинанокристаллическая структура поверхностного слоя при лазерной обработке с целью повышения износостойкости сталей и сплавов.

Рассчитана и экспериментально подтверждена возможность получения в поверхностном слое сталей и цветных сплавов ультрамелкозернистой квазинанокристаллической структуры с диаметром зерна менее 1 мкм за счет лазерной закалки с оплавлением поверхности и лазерного модифицирования. Изучено влияние технологических параметров лазерной обработки металлических материалов на структуру и глубину формирующегося поверхностного слоя с ультрамелким зерном. Эксплуатационная надежность и долговечность деталей машин и механизмов во многих случаях определяются триботехническими характеристиками используемых для их изготовления сталей и сплавов.
Один из наиболее эффективных технологических способов повышения износостойкости металлических материалов — применение лазерной обработки, обеспечивающей формирование в поверхностном слое мелкодисперсной дефектной нестабильной структуры с уникальным сочетанием механических, физических и химических свойств.
Наиболее существенным фактором, влияющим на структуру поверхностного слоя сталей и сплавов при лазерной обработке, является скорость охлаждения.
При охлаждении металла со скоростью более 106 К/с создаются условия для формирования ультрамелкодисперсной, так называемой квазинанокристаллической (КНК) структуры, являющейся промежуточной между микрокристаллической и аморфной.
Образование КНК структуры в поверхностном слое сталей и сплавов должно эффективно изменять их свойства, однако результаты подобных исследований практически отсутствуют. Цель данной работы д.т.н. Кондратьева С.Ю. (Санкт-Петербургский государственный политехнический университет) и инж. Попова В.О. (ЦНИИ КМ «Прометей») — изучение возможности повышения эксплуатационных свойств сталей и сплавов в результате получения ультрамелкодисперсной квазинанокристаллической структуры в поверхностном слое при лазерной обработке.
Исследовали сталь 40Х и бронзу БрАЖНМц 9-4-4-1. Лазерную обработку проводили на технологических установках ТЛ-5, МТЛ-4, «Спектрофизикс» (мод. 973) мощностью от 0,5 до 10,0 кВт при диаметре пятна 0,5-6,0 мм и скорости обработки от 0,001 до 10 м/с. Использовали образцы в виде плоских пластин толщиной 2-15 мм, для обработки которых разработали оснастку, представляющую шестигранник с кассетным устройством крепления образцов.
Необходимым условием для получения квазикристаллической структуры с размером зерна меньше 1 мкм при кристаллизации расплава является значительное превышение скорости образования числа центров кристаллизации по сравнению со скоростью роста кристаллов.
Это возможно при большой степени переохлаждения расплава, что определяется двумя технологическими факторами: температурой нагрева расплава и скоростью его охлаждения. Первый из них возрастает с увеличением плотности мощности лазерного луча, второй — с увеличением скорости лазерной обработки.
Учитывая, что максимальная температура жидкого металла ограничена физическими пределами его существования, эффективное увеличение степени переохлаждения при кристаллизации расплава возможно только за счет повышения скорости охлаждения.
Таким образом, необходимым условием формирования ультрамелкодисперсной КНК структуры в поверхностном слое металла является увеличение скорости лазерной обработки до значения, обеспечивающего охлаждение расплава со скоростью не менее 106 К/с.
Показано, что для обоих материалов лазерная обработка со скоростью больше 0,1 м/с обеспечивает охлаждение расплавленного металла со скоростью выше 106 К/с на глубине до 100 мкм. Эти условия должны быть достаточными для формирования в поверхностном слое исследуемых материалов квазинанокристаллической структуры.
С увеличением скорости лазерной обработки от 0,001 до 10 м/с средний диаметр зерна стали 40Х в зоне оплавления уменьшается от 15–20 до 0,1–0,5 мкм, причем лазерная обработка со скоростью выше 0,1 м/с, действительно, позволяет получить в стали структуру с диаметром зерна менее 1 мкм.
Дисперсность структуры бронзы БрАЖНМц 9-4-4-1 значительно выше по сравнению со сталью 40Х при одинаковых параметрах обработки. Это объясняется более высокой теплопроводностью бронзы и, соответственно, более высокой скоростью охлаждения расплава. Увеличение скорости обработки от 0,001 до 1 м/с уменьшает диаметр зерна бронзы от 5–8 до 0,06–0,08 мкм.
При этом характер структуры также значительно изменяется. Так, при скорости обработки 0,02 м/с наблюдается ориентированная вдоль направления теплоотвода структура с размером зерна 3–5 мкм.
Обработка со скоростью 0,1 м/с приводит к формированию более равноосной структуры с размером зерна менее 1 мкм. При скорости обработки более 1 м/с структура зоны оплавления не выявляется.
Фазовый рентгеноструктурный анализ показал, что при увеличении скорости лазерной обработки происходит размытие рефлексов от кристаллографических плоскостей и при скорости более 1 м/с для бронзы БрАЖНМц 9-4-4-1 наблюдается галло, т. е. материал становится рентгеноаморфным. Следует отметить, что при скорости обработки 1 м/с фактическая глубина ультрамелкодисперсного КНК слоя при мощности излучения 2,5 кВт и диаметре пятна 3,5 мм составляет в бронзе БрАЖНМц 9-4-4-1 20–25 мкм, а в стали 40Х — 30–35 мкм.
Повышение мощности лазерного излучения до 5 кВт и скорости лазерной обработки до 2 м/с позволило увеличить глубину поверхностного слоя с КНК структурой до 35–40 и 60–70 мкм в бронзе и стали соответственно. Большее повышение мощности излучения и скорости обработки оказалось нецелесообразным, поскольку привело к образованию на поверхности металла нестабильного неоднородного аморфного слоя.
Более эффективным для увеличения глубины поверхностного слоя с КНК структурой явились модифицирующие добавки при лазерной закалке с оплавлением.
Для стали в качестве модификатора применяли порошок следующего состава: Fе — 40 % Ni — 5 % Si — 1,5 % В — 0,6 %, для бронзы — порошок Zr.
Результаты исследования структуры материалов после лазерного переплава поверхности с использованием модифицирующих добавок показапи, что глубина образующегося слоя с КНК структурой увеличивается в бронзе БрАЖНМц 9-4-4-1 до 80–100 мкм, в стали 40Х — до 150–200 мкм при скорости обработки 1 м/с, мощности излучения 2,5 кВт и диаметре пятна 3,5 мм.
Увеличение глубины КНК поверхностного слоя металлических материалов при лазерном модифицировании объясняется уменьшением в 10–15 раз необходимой для формирования ультрамелкодисперсных структур скорости охлаждения по сравнению с лазерной закалкой без модифицирующих добавок. Определение микротвердости полученного в результате лазерного модифицирования поверхностного слоя с КНК структурой стали 40Х и бронзы БрАЖНМц 9-4-4-1 показало высокую эффективность такой обработки.
Образование поверхностного слоя с КНК структурой сопровождается возникновением в нем значительных остаточных растягивающих напряжений (σв = 1100 ± 50 МПа, σ0,2 = 1000 ± 50 МПа, σ = 200 ± 50 МПа).
Для снятия остаточных напряжений, отрицательно влияющих на работоспособность поверхностного слоя, необходимо проведение термической обработки.
Выполненные исследования позволили рекомендовать проведение после лазерной обработки кратковременного низкотемпературного отпуска при 150–200 °С в течение 1 ч с охлаждением на воздухе. Такая термическая обработка снимает остаточные напряжения, но не изменяет структуру и свойства материала, в том числе в поверхностном слое.
Определение триботехнических свойств стали 40Х и бронзы БрАЖНМц 9-4-4-1 показало положительное влияние формирующегося в этих материалах при лазерной обработке поверхностного слоя с квазинанокристаллической структурой. Показано, что после трения в течение 7 мин износ бронзы с упрочненным лазерной обработкой поверхностным слоем в 1,5 раза, а при модифицировании цирконием — в 3,4 раза меньше по сравнению со стандартной объемной термической обработкой. Следовательно, образование КНК структуры в поверхностном слое значительно повышает износостойкость бронзы БрАЖНМц 9-4-4-1, причем наиболее эффективно при использовании модифицирующих добавок в процессе лазерной закалки из расплава.
Последнее объясняется не только большей глубиной образующегося при лазерном модифицировании ультрамелкодисперсного поверхностного слоя, но и его более высокой термоустойчивостью по сравнению с лазерной закалкой.
В поверхностном слое бронзы, подвергнутой лазерной обработке без применения модификатора, после трения в течение 7 мин наблюдается перекристаллизация, обусловленная локальным нагревом при трении.
В поверхностном слое бронзы после лазерного модифицирования с применением порошка циркония подобного эффекта не обнаруживается.
Испытания однородных пар из стали 40Х в условиях сухого трения подтвердили повышенную работоспособность материалов с КНК поверхностным слоем.
Значительное повышение износостойкости металлических материалов при формировании в поверхностном слое квазинанокристаллической структуры согласуется с предложенной ранее моделью трения, в которой значение микронеровности поверхности соответствует степени неоднородности структуры.
Таким образом:
— Лазерная обработка со скоростью выше 0,1 м/с и оплавлением поверхности позволяет получить в поверхностном слое сталей и цветных сплавов ультрамелкозернистую квазинанокристаллическую структуру с диаметром зерна менее 1 мкм.
— Лазерное модифицирование обеспечивает получение в сталях и цветных сплавах квазинанокристаллического поверхностного слоя глубиной, в 4-5 раз большей по сравнению с лазерной закалкой при одинаковых скорости обработки, мощности излучения и диаметре пятна.
— Формирование квазинанокристаллической структуры в поверхностном слое сталей и цветных сплавов при лазерной закалке с оплавлением, особенно с использованием модифицирующих добавок, приводит к повышению износостойкости материалов при трении в несколько раз.

Источник: www.ltc.ru, «Технология машиностроения», 2011, № 3, с.30-35.

.