Scientific journal

Modern problems of science and education

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

Введение

Ресурс работы, надежность в эксплуатации, конструктивная прочность, технико-экономические показатели работы деталей машин и механизмов во многом определяются механическими свойствами сталей и сплавов, из которых они изготавливаются. Механические свойства сталей в значительной степени зависят от их качества и структуры [1]. В частности, в сталеплавильном производстве под качеством стали в первую очередь понимают количество вредных химических примесей, а для получения качественных сталей применяют различные виды переплава [1; 4].

С целью снижения себестоимости выпускаемой продукции достаточно часто в промышленности используют низкосортные марки стали, которые удовлетворяют требованиям изготовления деталей по конструкционной прочности, хорошо обрабатываются механически, но не соответствуют требованиям с точки зрения износостойкости поверхности. Они часто содержат большое количество неметаллических включений, могут содержать недостаточное количество углерода и поэтому практически не упрочняются при объемной термической обработке. Как показывает практический опыт, разрушение многих деталей машин и механизмов в процессе эксплуатации начинается с поверхности [5], и увеличение ресурса работы деталей может быть достигнуто за счет улучшения качества поверхностных слоев стальных изделий. Исходя из этого, для изготовления многих деталей машин и механизмов совсем не обязательно использовать для производства деталей машин и механизмов чистые и особочистые стали. Экономически более целесообразно использовать менее дорогие стали обычного качества, а для улучшения механических свойств поверхностного слоя металла использовать методы локального поверхностного рафинирования. Поэтому в последние годы интенсивно развиваются методы локальной металлургической обработки поверхности сталей с целью повышения качества и соответственно механических свойств.

Стали, выплавленные любым способом, кроме основных химических элементов, содержат большое количество различных примесей. Один и тот же элемент может быть полезной или вредной примесью. Например, сера, фосфор обычно являются вредными примесями, но являются легирующими в автоматных сталях. Содержание основных легирующих элементов определяется марочным составом, который одинаков для данной марки стали и, как правило, не зависит от способа ее производства. Поэтому различие в свойствах стали разного способа производства обусловлено главным образом содержанием вредных примесей [5].

Сера в большинстве случаев является вредной примесью, снижающей механические свойства и значительно усиливающей склонность к образованию горячих трещин при литье и сварке. Влияние серы на свойства металла определяется тем, что она образует соединения с железом и легкоплавкие эвтектики, ослабляющие в широком диапазоне температур связи между отдельными кристаллитами, образуя сегрегации по границам зерен. Чем больше в металле серы, тем больше появляется легкоплавких эвтектик, тем сильнее красноломкость стали. Поэтому содержание серы обычно ограничивают некоторым количеством.

Фосфор в железных сплавах также является весьма вредной примесью. Он ухудшает механические свойства сталей, вызывая хладноломкость у низколегированных и углеродистых сталей и повышенную склонность к образованию горячих трещин в сталях аустенитного класса.

Существует много металлургических методов повышения качества стали, таких как вакуумно-дуговая плавка, вакуумно-индукционная плавка, электрошлаковый переплав и др. Также такие методы обработки уменьшают количество неметаллических включений и дефектов, обусловленных особенностями кристаллизации, но не подходят для рафинирования поверхности готовых изделий.

В процессе изготовления различных деталей машин достаточно часто возникают задачи по рафинированию поверхности отдельных локальных зон. В настоящее время имеется достаточно много разработанных и успешно зарекомендовавших себя в производстве локальных методов обработки поверхности концентрированными потоками энергии – светолучевых, газопламенных, дуговых, плазменных, электронно-лучевых, лазерных. Но не все они удовлетворяют технико-экономическим требованиям к локальному металлургическому процессу рафинирования поверхностного слоя. Использование некоторых локальных источников энергии для рафинирования поверхностного слоя не представляется возможным в силу отсутствия режима глубокого проплавления, а также из-за выхода геометрических размеров обрабатываемой детали за поля допуска вследствие больших тепловых вложений. Использование луча лазера для переплава поверхности, как высококонцентрированного источника энергии, имеет значительные преимущества:

• высокий коэффициент сосредоточенности К > 106 1/см2 позволяет минимизировать объем переплавляемой ванны и уменьшить тепловые вложения в обрабатываемую деталь;
• высокое значение плотности мощности в зоне плавления Wр > 5 · 105 Вт/см2 позволяет перевести обработку из режима теплопроводности в режим кинжального проплавления поверхности;
• проплавление производится на высоких скоростях переплава V > 11 мм/сек, что позволяет получать минимальные зоны термического влияния и сделает процесс высокопроизводительным;
• при лазерном переплаве в среде инертных газов происходит удаление из зоны переплава вредных примесей – серы и фосфора;
• обработка производится при атмосферных условиях.

В данной работе на примере автоматной стали А12 изучена возможность рафинирования поверхностных слоев стальных изделий с использованием лазерно–плазменной обработки. Исследовано влияние изменения структуры, химического состава и механических свойств рабочих поверхностей стального изделия в результате такой обработки.

Методика эксперимента

В качестве объекта исследования была выбрана автоматная сталь А12, из которой серийно изготавливался коленчатый вал компрессора холодильника. Эта сталь хорошо обрабатывается резанием, поддается объемной штамповке, так как содержит большое количество серы и фосфора, в ней содержится менее 0,12% углерода. Известно, что сталь с содержанием углерода 0,1% при классической термической объемной обработке закаливается на твёрдость не более 285 HV. Использование луча лазера для поверхностного упрочнения стали с содержанием углерода 0,1% в режиме оплавления позволяет ожидать микротвёрдость поверхностного слоя 390-430HV при исходной твердости 180-200HV [2; 3].

Исследования поверхностных слоев, подвергнутых лазерно-плазменной обработке, проводились с использованием оптической, электронной микроскопии и спектрального анализа. Анализ структурно-фазового состояния поверхностного слоя производился на универсальном оптическом микроскопе NU-2ЕKarlZeiss. Электронная микроскопия выполнялась на электронном микроскопе модели LEO 1455 VP. Исследование химического состава сталей после лазерно-плазменной обработки проводилось на эмиссионном спектроанализаторе модели Spectruma GDA 750.

Результаты

Спектральный анализ химического состава автоматной стали А12 приведен в таблице 1. Состав соответствует ГОСТ 1414-75. Было установлено, что распределение химических элементов по глубине образца равномерное.

После лазерно-плазменной обработки в режиме рафинирования структура поверхности изменяется. Структура поперечного шлифа поверхностного слоя автоматной стали А12 после лазерно-плазменной обработки показана на рис. 1.

Таблица 1

Рисунок 1. Поверхностный слой, сформированный лазерно-плазменной обработкой автоматной стали А12

На рисунке 1 виден тонкий белый слой, который сформировался после лазерно-плазменной обработки. Лазерно-плазменная обработка в режиме рафинирования поверхности при исходной твердости 180-200 HV позволила получить твердость поверхностного слоя 800-850 HV, что является очень высоким значением, даже по сравнению с лазерным упрочнением поверхности в режиме оплавления, позволяющим получить твердость 390 – 430 HV [2; 5]. Структура основы феррито-перлитная. Оптическая микроскопия не позволила выявить структуру поверхностного слоя, поэтому были проведены исследования на электронном микроскопе (рис. 2). Одновременно была произведена проверка возможного выгорания углерода из поверхностного слоя при лазерно-плазменной обработке. Как видно из рисунка 2, поверхностный слой после лазерно-плазменной обработки стал однородным и изотропным на глубину до 2-3 мкм, поверхностные дефекты в поверхностном слое отсутствуют. Проведенные исследования поверхностных слоев, сформированных с использованием лазерно-плазменной обработки, на стали А12 позволяют сделать вывод, что полученная структура близка к микрокристаллической структуре – скрытоигольчатому мартенситу, что и объясняет повышенное значение микротвердости поверхностного слоя.

Рисунок 2. Внешний вид шлифа упрочнённого поверхностного слоя (электронная микроскопия)

При лазерно-плазменном переплаве при атмосферных условиях используется режим глубокого проплавления и металл нагревается до несколько большей температуры, чем температура кипения, а жидкая фаза металла переносится в хвостовую часть сварочной ванны, которая и является своеобразным кристаллизатором.

Проведенные на электронном микроскопе LEO 1455 VP спектральные исследования поверхностного слоя лазерно-плазменным методом не показали изменения содержания углерода в рафинированном и упрочненном слое (рис. 3). То есть режимы лазерно-плазменной обработки выбраны оптимальным образом, и выгорания углерода при лазерно-плазменном рафинировании поверхности не происходит.

Рисунок 3. Содержание углерода в поверхностном слое после лазерно-плазменного рафинирования автоматной стали А12

Технологический процесс лазерно-плазменного рафинирования поверхностного слоя производился при атмосферных условиях, при этом вредного влияния атмосферы на состав поверхности стали не наблюдается. Результаты исследования химического состава поверхностного слоя стали А12, подвергнутого лазерно-плазменному рафинированию, представлены на рисунке 4.

Рисунок 4. Спектрограммы химических элементов в поверхностном слое стали А12 после лазерно-плазменной обработки

Проведенные исследования показали отсутствие серы и фосфора в тонком поверхностном слое.

При мощности лазерного излучения 120 Вт и толщине модифицированного поверхностного слоя в 2-3 мкм производительность лазерно-плазменной обработки составляет 10 мм2/сек, что вполне удовлетворяет производственным условиям обработки рабочих поверхностей подобных изделий. Диапазон скоростей лазерно-плазменного рафинирования поверхностного слоя совпадает со скоростью лазерной закалки поверхности с образованием жидкой фазы. Поэтому в процессе лазерно-плазменного рафинирования происходит упрочнение поверхности в режиме автозакалки, что оказывает влияние на структурообразование в поверхностном слое и повышение механических характеристик, в частности твердости.

Выводы

Показано, что лазерно-плазменное рафинирование стали А12 позволило удалить серу и фосфор из тонкого поверхностного слоя толщиной в 2-3 мкм. Такая обработка не привела к выгоранию углерода в поверхностном слое, что позволило сохранить требуемый уровень механических свойств с одновременным снижением отрицательного влияния вредных примесей.

Исследование микроструктуры с использованием электронной сканирующей микроскопии показало, что в тонком поверхностном слое после предложенной обработки сформировалась структура мартенсита. Это приводит к значительному повышению микротвердости поверхности и повышению износостойкости с одновременным сохранением вязкой сердцевины с феррито-перлитной структурой.

Технологический процесс лазерно-плазменного рафинирования поверхностного слоя производился при атмосферных условиях, что является одним из основных требований производства. Лазерно-плазменная обработка является высокоэффективным и высокоскоростным методом рафинирования поверхностного слоя. Потенциальные возможности лазерно-плазменного металлургического процесса переплава позволяют производить рафинирование, улучшать технологическую наследственность поверхностных слоев сталей и сплавов и создавать поверхностные слои из чистой стали, что открывает широкие возможности использования данной технологии в промышленности для повышения ресурса работы оборудования и его надежности. Также представляются весьма перспективными технологические процессы, которые сочетают в себе рафинирование поверхностного слоя и его одновременную закалку из жидкой фазы.

Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2013 годы», ГК 14.513.11.0035 от 20.03.2013.

Рецензенты:

Кудря А.В., д.т.н., профессор кафедры металловедения и физики прочности НИТУ «МИСиС», г. Москва.

Астахов М.В., д.х.н., профессор, заведующий кафедрой физической химии НИТУ «МИСиС», г. Москва.