Geum.ru
Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям

На правах рукописи

КАСТРО ВИЛСОН АЛБЕЙРО

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ЛАЗЕРНОГО ТЕРМИЧЕСКОГО УПРОЧНЕНИЯ И ЛЕГИРОВАНИЯ СТАЛЕЙ ДЛЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО РЕСУРСА ИЗДЕЛИЙ

Специальность 05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород - 2012

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Гаврилов Геннадий Николаевич

Официальные оппоненты: Белашова Ирина Станиславовна, доктор технических наук, профессор, Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ), профессор кафедры Металловедения и термической обработки Глебов Владимир Васильевич, кандидат физико-математических наук, доцент, ФГБОУ ВПО Волжская государственная академия водного транспорта, доцент кафедры Технологии конструкционных материалов и машиноремонта

Ведущая организация: ОАО ЦНИИ Буревестник, г. Нижний Новгород

Защита состоится л5 октября 2012 г. в 13:00 в ауд. 1258 на заседании диссертационного совета Д 212.165.07 при ФГБОУ ВПО Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева по адресу:

603950, г. Нижний Новгород, ул. Минина 24.

Тел. 8 (831) 436-63-22, е-mail: wacastro2000@yahoo.com C диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева

Автореферат разослан л4 сентября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета В.А. Ульянов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Одной из актуальных проблем энергетического машиностроения является разработка эффективных технологий обработки, позволяющих обеспечить деталям требуемые свойства рабочих поверхностей. Применение лазерных технологий способствует улучшению износостойкости, коррозионной стойкости, снижению времени длительности химико-термической обработки и других технологических характеристик, которые позволяют повысить качество, долговечность и эффективность работы деталей и КПД изготовляемых машин и приборов, увеличить экономические и экологические эффекты. К возможным технологическим способам обработки деталей, которые можно осуществлять с помощью лазера относятся: поверхностная закалка, легирование, наплавка, сварка, размерная обработка, химико-термическая обработка. Вопросам воздействия лазерного излучения на свойства металлических материалов посвящены труды А.Г. Григорьянца, Г.И. Бровера, Д.Н. Гуреева, Л.И. Миркина, В.М.

Андрияхина, А.В Макарова, К.В. Цай, О.П. Максимкина, Л.Г. Турубаровой, Л.Г. Коршунова, И.Ю. Малыгиной, А.Л. Осинцевой, Дж Рэди и др.

азерная закалка и лазерное легирование находят все большее применение в энергетическом машиностроении как способ повышения твердости, износостойкости, коррозионной стойкости и т.д. деталей. К числу преимуществ можно отнести высокие скорости и локальность лазерной обработки, которые снижают неблагоприятные влияния теплового воздействия в тех местах детали, в которых не требуется термообработка.

Преимущество лазерного легирования заключается в том, что изделия могут изготавливаться из широко используемых материалов, а дорогие и дефицитные компоненты расходуются только в относительно тонком поверхностном слое на локальном участке изделия. Однако внедрение этих технологий на промышленных предприятиях ограничивается тем, что систематизированных научных положений и экспериментальных результатов по лазерной закалке и лазерному легированию сталей применяемых в энергетическом машиностроении в настоящее время явно не достаточно.

Актуальность данного исследования обусловлена необходимостью создания научных основ для разработки технологий лазерной закалки и лазерного легирования и установления влияния технологических параметров обработки на изменение структуры и свойств поверхностных слоев изделий энергетического машиностроения, в которых широко используются высоколегированные конструкционные стали различных классов.

Работа выполнялась на основе программы Развитие научного потенциала вышей школы, программы Развитие инфраструктуры научнотехнической и инновационной деятельности высшей школы и ее кадрового потенциала и Единого Заказ - наряда Министерства образования и науки РФ Разработка фундаментальных основ создания новых металлических, неметаллических и композиционных материалов р/н № 1.2.09.

Цель работы Целью данной работы является создание научных основ повышения эксплуатационного ресурса изделий энергетического машиностроения за счет лазерного термического упрочнения и легирования используемых конструкционных сталей. Для достижения поставленной цели в диссертации необходимо было выполнить:

1.Металлографическими, физическими, химическими и рентгеноспектральными методами исследовать структурные композиции, формирующиеся в поверхностном слое сталей марок 03Х21Н32М3Б, 12Х18Н10Т, 38Х2МЮА, 08Х14Н5М2ДЛ, 38ХН3МФА, 38Х2Н2МА при лазерной закалке и стали 38Х2МЮА при лазерном легировании смесью порошков Cr, Mo, Al и (NH2)2CO, также смесью порошков Al и (NH2)2CO.

2. Провести анализ влияния воздействия параметров лазерной обработки на микроструктуру, коррозионную стойкость и физикомеханических свойства исследуемых сталей.

3. Расчеты фактических значений температурных полей и глубин проникновения лазерного воздействия в сталях при лазерной обработке произведены с помощью компьютерного моделирования в среде СОMSOL 3.5a, произвести.

4. Разработать программное обеспечение для оценки значений микротвердости с помощью цифровой обработки изображений в среде LabView 7.0.

5. Разработать и внедрить технологический процесс обработки излучением СО2Цлазера сталей марок 03Х21Н32М3Б, 12Х18Н10Т, 38Х2МЮА, 08Х14Н5М2ДЛ, 38ХН3МФА, 38Х2Н2МА при лазерной закалке и стали 38Х2МЮА при лазерном легировании смесями порошков Cr, Mo, Al и (NH2)2CO и Al и (NH2)2CO.

Научная новизна диссертации состоит:

1. В установлении влияния параметров лазерной обработки, определяющие лазерное термическое упрочнение и легирование, на микроструктуру и свойства исследуемых сталей.

2. В установлении закономерности изменения физико-механических свойств после лазерной термообработки сталей марки 03Х21Н32М3Б, 12Х18Н10Т, 38Х2МЮА, 08Х14Н5М2ДЛ, 38ХН3МФА, 38Х2Н2МА и стали 38Х2МЮА при лазерном легировании смесями порошков Cr, Mo, Al и (NH2)2CO и Al и (NH2)2CO.

3. В исследовании эффективности влияния лазерной термообработки сталей 03Х21Н32М3Б, 12Х18Н10Т, 38Х2МЮА, 08Х14Н5М2ДЛ, 38ХН3МФА, 38Х2Н2МА и лазерного легирования стали 38Х2МЮА на их износостойкость и коррозионную стойкость.

4. В определении максимальных температур на границах образующихся зон лазерного термического влияния, а также в определении коэффициента поглощения лазерного излучения поверхности сталей при исследуемых режимах лазерной обработки.

Практическая значимость данной работы заключается:

- в разработке и обосновании промышленной технологии лазерной термической обработки и лазерного легирования деталей энергетического машиностроения.

- в разработке программного обеспечения, для определения микротвердости сталей.

- в апробации технологии на ООО Гидротермаль и ОАО Инженерный центр при изготовлении и обработке деталей типа штуцеров, фланцев, втулок и поворотных клапанов, подтверждённой техническим эффектам - Акты предприятий.

- во внедрении результатов работы в учебный процесс на кафедре Материаловедение и технология новых материалов НГТУ им. Р.Е.

Алексеева в дисциплинах Теория, технология и оборудование высокоэнергетических методов обработки материалов, Технология высокоэнергетических методов обработки материалов, Теория термической и химико-термической обработки и Физические основы лазерного термоупрочнения, наплавки, резки.

Предмет исследования - микроструктура, механические свойства, износостойкость и коррозионная стойкость изделий энергетического машиностроения.

Объект исследования - элементы конструкции энергетических установок типа штуцер, фланец, втулка, поворотный клапан и др., изготавливаемые из сталей марок 03Х21Н32М3Б, 12Х18Н10Т, 38Х2МЮА, 08Х14Н5М2ДЛ, 38ХН3МФА, 38Х2Н2МА.

Основные положения, выносимые на защиту 1. Результаты исследования влияния структуры и свойств поверхности сталей 03Х21Н32М3Б и 12Х18Н10Т на их коррозионную стойкость.

2. Закономерности формирования микроструктуры в зоне лазерного облучения высоколегированных аустенитных, аустенитно-мартенситной, ферритно-перлитной и мартенситных сталей.

3. Результаты экспериментальных исследований износостойкости сталей 03Х21Н32М3Б, 12Х18Н10Т, 38Х2МЮА, 08Х14Н5М2ДЛ, 38ХН3МФА, 38Х2Н2МА после лазерной термообработки и лазерного легирования стали 38Х2МЮА различными видами легирующих обмазок и сравнительная оценка их эффективности.

ичный вклад автора состоит в выборе направления научнотехнологического исследования, определении целей исследований, анализе литературных источников, осуществлении экспериментов и интерпретации полученных результатов, проведение металлографических, физикомеханических и других исследований. Автор провел обработку натурных изделий по разработанным технологиям, которые прошли испытания с положительным результатом на ООО Гидротермаль и ОАО Инженерный центр.

Достоверность полученных результатов подтверждается корректностью определения решаемых задач и их физической и металловедческой аргументированностью, большим количеством экспериментов и экспериментальных данных и положительными результатами внедрения результатов исследований.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: VII Международная молодежная НТК Будущее технической науки Н. Новгород, НГТУ, 2008 г; 14-я Нижегородская сессия молодых ученых, технические науки, 2009г; III Всероссийский смотр научных и творческих работ иностранных студентов и аспирантов, Томск, ТПУ, 2009г;

XVI Нижегородская сессия молодых ученых, технические науки, 2011г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано печатных работ, в том числе из списка рекомендуемых изданий ВАК, а также имеется 2 патента и регистрация программного обеспечения.

Объем и структура работы. Работа состоит из введения и пяти глав, библиографического списка из 83 наименований и приложений на страницах. Диссертация изложена на 195 страницах, текст содержит таблиц и 84 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приводятся литературные данные о применении лазерной технологии в энергетическом машиностроении. Представлены физические и термодинамические аспекты влияния технологических параметров высококонцентрированной энергии лазерного излучения на фазовые превращения, формирование структуры и свойств термических обработанных сталей различных классов. В результате проведенного анализа литературных источников установлено, что данные о влиянии энергетических параметров при лазерном термоупрочнении и лазерном легировании на процессы формирования структуры у сталей, применяемых в особых условиях энергетического машиностроения недостаточно полные.

Материалы обобщены и на основании выявленных недостатков сформулированы цель, задачи и программа работы.

Во второй главе представлена методика исследования, содержащая материалы, режимы лазерной обработки, описание лазерной установки Латус-31 на базе компактного молекулярного СО2-лазера Карат;

оптическая микроскопия с применением цифрового фотографирования, на микроскопе KEYENCE VHX-1000 и на растровом электронном микроскопе JCM-5700; измерение микротвердости на приборе ПМТ-3; испытание на износостойкость на установке ЭХО-1; для рентгеноструктурного анализа использовалась установка ДРОН-2; испытание на склонность к межкристаллитной коррозии производилось по ГОСТ 6032-2003 методом Б;

аналитические методы: статистическая обработка экспериментальных данных (оценка точности измерений, регрессионный анализ) с использованием Exel 2010, OriginPro 8.

Для сопоставимости энерговклада режимы лазерного воздействия определялись путем расчета фактической плотности мощности лазерного излучения на обрабатываемой поверхности, создаваемой за счет фокусировки лазерного луча, что позволяет производить выбор в каждом конкретном случае оптимальных технологических параметров лазерной обработки и обеспечивает возможность производимости лазерной обработки различных по размерам и форме конкретных изделий.

Параметры термической, лазерной обработки и исходная микроструктура образцов представлены в приложении 25.

В третьей главе приведены результаты исследований лазерной термической обработки сталей 03Х21Н32М3Б, 12Х18Н10Т, 38Х2МЮА, 08Х14Н5М2ДЛ, 38ХН3МФА, 38Х2Н2МА и лазерного легирования стали 38Х2МЮА смесями порошков Cr, Mo, Al и (NH2)2CO и Al и (NH2)2CO, выразившиеся в следующем:

Для стали 03Х21Н32М3Б установлено:

В поверхностном слое выявляются три зоны: оплавление, переходная и основной металл; переходная зона выявляется только при измерении микротвердости; микроструктура в зоне оплавления имеет столбчатое строение, направление роста кристаллитов наследуется из бывших зерен, дисперсность структуры повышается по мере приближения к поверхности ванны расплава; на дисперсность структуры влияют изменение скорости отвода тепла из расплавленной ванны и изменение степени переохлаждения жидкого металла ванны (приложение 1 а, б); на поверхности стали обнаружены карбиды типа MeC ЦTiC и интерметаллиды Т-фаза Ni3(Тi), FeCr и карбиды типа (Cr, Mo, Ti)Сх; сопротивление износу увеличилось на 10%;

следы МКК в микроструктуре после ЛТО не обнаружены. Результаты измерения микротвердости приведены в приложении 2.

Для стали 12Х18Н10Т установлено:

ТО оказывает комплексное влияние, которое приводит к испарению поверхностной области, оплавлению, а также повышению склонности переходной зоны с основным металлом к межкристаллитной коррозии; зона оплавления имеет ячеистую, равноосную, дендритную структуру, характерную для случаев медленного охлаждения. Зародыши образуются по всему объему расплава, направление их роста ориентировано в направлении вывших зерен аустенита (см. приложение 3 а, б); зона термического влияния имеет повышенную склонность к межкристаллитной коррозии, это связанно с выделением карбидов хрома по границам зерен. Поскольку при ЛТО происходит смещение критических точек в область более высоких температур, в зоне термического влияния выделение карбидов может о произойти при температурах 900-1200 С. При испытании на стойкость к межкристаллитной коррозии, обнаружены следы МКК в зоне лазерного термического влияния; при использованных режимах ЛТО наблюдается образование новых фаз типа интерметаллида на основе Ni3Ti с ГЦК решеткой способна деформироваться (охрупшивающая фаза) и карбиды (Cr, Ti)Cx;

в зоне, где произошло оплавление, значение микротвердости понизилось, (см. приложение 4). Это, по-видимому, связано с образованием Т-фазы с решеткой ГЦК, обладающей пониженным сопротивлением; износостойкость повышается на 10-30%. Вероятно, это связано с тем, что при лазерной обработке в структуре выделились интерметаллидные и карбидные фазы Для стали 38Х2МЮА установлено:

В поверхностном слое выявляются три слоя: зона оплавления - образуется в результате закалки из жидкого состояния, имеет мартенситную структуру дендритного строения, с зернами вытянутыми в направлении теплоотвода, размер зерен уменьшается по мере их приближения к поверхности; зона термического влияния - имеет мартенситную структуру, которая получена закалкой из твердой фазы; переходная зона - зона отпуска (см. приложение 5); в зоне оплавления образовались карбиды Сr и Mo, а также, интерметаллиды Сr2Al, Fe3Al и FeMo; в зоне оплавлении значение микротвердости повысилось, вероятно, это связано с измельчением формирующихся зерен и с последовательным образованием мелкозернистой мартенситной структуры, образованием высокодисперсных частиц карбидов, что установлено при рентгенографическом фазовом анализе. Существенное влияние оказывают и внутренние напряжения, возникающие во время ЛТО; в целом, в зоне лазерного термического влияния, произошло упрочнение в следствии закалки с образованием мартенсита игольчатого строения (см.

приложение 6); выявленная разница микротвердости связана с тем, что при третьем режиме из-за высокого энерговклада зона расплава при затвердевании претерпевала влияние высоких температур из соседних более глубоких участков, которая и создавала условия для торможения процесса мартенситного превращения, что и приводит к снижению твердости; при большей плотности мощности лазерного излучения антифрикционные свойства обрабатываемых участков понижается. Вероятно, это связано с образованием меньшего количества карбидов, а также, из-за частичного разупрочнения сплава во время ЛТО (см. приложение 7).

Для стали 08Х14Н5М2ДЛ установлено:

При всех режимах ЛТО произошло оплавление поверхности стали;

зоны оплавления представляют собой аустенитно-мартенситную микроструктуру дендритного строения. При первом режиме ЛТО произошло глубокое оплавление до 0,35мм. В микроструктуре стали между оплавленной зоной и зоной термического влияния выявлены включения -феррита (см.

приложение 8); по мере уменьшения плотности мощности происходит незначительное разупрочнение по сравнению с основным металлом. В приложении 9 приведены результаты измерения микротвердости; снижение значения микротвердости в зоне лазерной термической обработки связано с увеличением количества остаточного аустенита и -феррита.

Значения коэффициента эффективности лазерной термической обработки К показаны в приложении 10.

Для стали 38ХН3МФА установлено:

В поверхностном слое выявляются три зоны: 1- зона оплавления металла, имеющая мелко-дендритную структуру, ориентированную в направлении теплоотвода. Измельчение зерна и высокие значения микротвердости обусловлены высокими скоростями нагрева, аустенитизации, и охлаждения, при которых формируется высокодисперсные структуры (см. приложение 11); 2- переходная зона, являющаяся зоной эффективного термического влияния вследствие лазерного нагрева на исходную структуру стали. В верхней части слоя выявляется игольчатая структура, тогда как в нижней имеется мелкозернистая структура. Это связано с тем, что температура нагрева в этих участках была различной, что влияет на уровень микротвердости стали; 3- переходная зона, где воздействие лазерной обработки на структуру металла визуально не обнаруживается. Эта зона выявляется только по значениям микротвердости (см. приложение 12); есть соотношение между микротвердостью и износостойкостью стали после лазерной обработки; самые высокие значения износостойкости находятся на определённой глубине лазерной дорожки.

Объяснение повышенной износостойкости под поверхностью в зоне ЛТО связано с количеством и большей дисперсностью структуры карбидных фаз.

Наименьшее количество карбидов в зоне оплавления связано с растворением их из-за высоких температур, испытывающих в зоне расплава (см.

приложение 13).

Для стали 38Х2Н2МА установлено:

Микроструктуры зон оплавления и эффективного термического влияния, имеют аналогичное строение, как и микроструктуры, формирующиеся в зоне облучения стали 38ХН3МФА; различие значений микротвердости связано с тем, что энерговклад при меньших скоростях перемещения образцов был более высоким и помимо измельчения зерен аустенита и карбидных фаз происходило перераспределение карбидов вследствие конвективных потоков в зоне расплавления стали (см.

приложение 14); самая устойчивая зона при истирании находится под поверхностью лазерной дорожки. Вероятно это связано с тем, что при ЛТО произошло измельчение карбидных фаз и упрочнение при мартенситном превращении. Повышение антифрикционных свойств во внутренних слоях благоприятно в тех случаях, когда необходимо изготавливать детали с внутренними закреплениями, которые претерпевают большой износ. (см.

приложение 15).

Для лазерного легирования стали марки 38Х2МЮА смесью порошков Cr, Mo, Al и (NH2)2CO установлено:

Что, при 1-м режиме в расплавленном участке имеется ячеистая структура с зернами вытянутой формы в направлении поверхности вблизи зоны термического влияния (см. приложение 16); интерметаллидные фазы Т (Fe, Al3) и сложные комплексные карбиды типа (Fe, Al)xCy, где атомы железа замещаются атомами алюминия, карбиды хрома, а также вероятно образование нитридов типа (Fe, Cr)2N и интерметаллиды (Fe)хMo; при 2-м и 3-м режимах образуется микроструктура с крупным столбчатым дендритным строением. Распределение микротвердости по глубине обрабатываемых зон приведено в приложении 17. Значения коэффициента эффективности лазерного легирования К показаны в приложении 18.

Таблица 1 - Результаты лазерного легирования Глубина зоны Микротвердость Коэффициент Глубина Режим легирования, легированной эффективности зоны мм зоны лазерного термического HV, МПа легирования К влияния, мм 1 0.23 6298 8.9 0.2 0.11 6566 9.5 0.3 0.17 6298 6.5 0.Для лазерного легирования стали марки 38Х2МЮА смесью порошков Al и (NH2)2CO установлено:

егированные зоны имеют тонкий слой дендритного строения. Этот слой, обогащённый алюминием и, вероятно, нитридом алюминия (см.

приложение 19). Распределение микротвердости по глубине обрабатываемых зон приведено в приложении 20; самые большие значения износостойкости появились не на поверхности, а в некоторой глубине под ней (см.

приложение 21). Это, возможно, связано с диффузией азота в внутренние слои обрабатываемой зоны и образованием нитридов алюминия; при фазовом анализе а также были обнаружены карбид типа (Fe, Al)xCy, - фаза (мартенсит легированный с примесями Al и Cr ) и остаточный аустенит.

Таблица 2 - Результаты лазерного легирования Режим Глубина Микро- Коэффициент Глубина Коэффициент зоны твердость эффективности зоны эффективности легирования, легированной лазерного термичес- лазерного мм зоны, легирования К кого легирования К HV, в зоне влияния, в зоне МПа легирования мм термического влияния 1 0.19 6337 2.7 0.81 2.2 0.09 7102 2.1 0.40 2.3 0.06 7161 2.6 0.21 3.Изучено поведение предельной удельной энергии деформации Wc сталей при лазерной термической обработке Построена новая зависимость предельной удельной энергии деформации Wc от пропорционального показателя твердости Н структурноэнергетического состояния Псэс для сталей аустенитного, ферритноперлитного и аустенитно-мартенситного типов. Механические свойства стали приведены в таблице 15.

T 1 ln B Wc (1) 21 где т - предел текучести;

в - предел прочности;

- относительное удлинение;

- относительное сужение;

Н - микротвердость.

Как видно из приложения 22-а, предельная удельная энергия деформации Wc имеет прямолинейную (пропорциональную) зависимость от твердости в исходном состоянии, после же лазерной обработки такая зависимость не сохраняется (см. приложение 22-б).

Таблица 3 - Механические свойства и энергоёмкость Wc сталей. Режимы ЛТО W= 1,9-2,2 x104 Вт/см2.

№ Марка стали НВ, т, в, , , Wc Н после ЛТО, МПа МПа МПа % % МПа 1 03Х21Н32М3Б 172 220 550 35 65 741 212 12Х18Н10Т 179 196 510 40 55 828 213 38Х2МЮА 250 880 1030 18 52 2012 714 38Х2Н2МА 277 735 880 13 40 2162 565 38ХН3МФА 293 785 930 10 35 2585 566 08Х14Н5М2ДЛ 376 900 1200 12 35 3209 38Оценка градиента неравномерности твердости Зависимость износостойкости от градиента неравномерности микротвердости при ЛТО недотаточно освещена. Неравномерность микротвердости может быть вычислена по формуле:

HV НTB (2) HB где HV - значение микротвердости поверности зоны ЛТО;

HB - твердость основного металла.

При известной глубине обработиваемого участка можно рассчитать градиент неравномерности микротвердости на базе б по формуле:

HTB Г (3) Н б л где Лб - база (глубина обрабативаемой зоны).

Расчеты, представленые на таблице 4, были сделаны для режимов ЛТО, при которых получены максимальные значения микротвердости и износостойкости.

Таблица 4 - Расчеты градиента неравномерности микротвердости на базе б сталей. Режимы ЛТО W= 1,9-2,2 x104 Вт/см2.

Марка стали НTB б, мм ГН/л, мм-03Х21Н32М3Б 1.29 0.19 6.12Х18Н10Т 1.22 0.15 8.38Х2МЮА 3.53 0.13 27.Продолжение таблицы Марка стали НTB б, мм ГН/л, мм-38Х2Н2МА 2.90 0.15 19.38ХН3МФА 2.44 0.19 12.08Х14Н5М2ДЛ 1,22 0.35 3.В приложении 23 представлены градиенты неравномерности микротвердости исследуемых сталей.

Исходя из расчетов можно сказать, что относительная износостойкость получена при ЛТО является функцией твердости сплава и градиента твердости, т.е. тем больше градиент твердости, чем больше износостойкость (см. приложение 24).

Износостойкость = (твердость основы + ГН/л) (4).Компьютерное моделирование распределения температуры по глубине обрабатываемого участка Компьютерное моделирование ЛТО является только приближением к реальному процессу. [Математическая модель не учитывает влияние конвекционного механизма перемешивания, который вносит существенный вклад в общий механизм формирования микроструктуры при лазерной обработке, фазовые и структурные превращения в стали, образование новых химических соединений (оксиды, карбиды), в результате образования которых выделяется дополнительное (к теплоте за счет лазерного источника) количество теплоты, способствующее увеличению температуры в зоне обработки]. Однако результаты реального процесса ЛТО и результаты расчета очень близкие. Компьютерное моделирование в среде COMSOL Multiphysics 3.5. позволило произвести расчеты распределения температуры внутри образца в зависимости от координат и времени, определить наличие оплавления на поверхности и глубину зоны термического влияния, и сделать вывод о возможности процесса лазерного термического упрочнения, легирования и подобрать оптимальные параметры лазерной обработки для их достижения. С помощью компьютерного моделирования были сделаны расчеты для определения коэффициента поглощения энергии лазерного излучения А сплава, пиков температуры, достигнутой на поверхности и в границах зон термического влияния при ЛТО, а также учесть следующие параметры воздействия лазерного излучения в исследованных сталях.

мах. - промежуток времени, при котором достигается максимальное значение температуры на поверхности стали при ЛТО;

опл. - промежуток времени, при котором наблюдается жидкое состояние стали на обрабатываемой поверхности при ЛТО;

зтв. - промежуток времени, при котором происходит эффективное воздействие лазерного излучения в зоне термического влияния при ЛТО.

Для компьютерного моделирования распределения температуры по глубине, использовались следующие математические выражения:

q0 1 R q y e y [Bт/м2], (5) k [c], (6) v k , (7) Cp A = 1- R, (8) где q(y) - плотность светового потока на расстоянии лу от поверхности металла;

q0 - плотность потока мощности;

- эффективное время воздействия;

- коэффициент температуропроводимости;

А - коэффициент поглощения;

R - коэффициент отражения материала;

k - теплопроводимость;

h - толщина обрабатываемого образца;

- плотность;

Cp - теплоемкость;

- скорость перемещения лазерного луча;

- эффективное время воздействия лазерного излучения;

- диаметр лазерного пятна.

В качестве примера представлено компьютерное моделирование и расчеты полученные для лазерного термического процесса обработки стали 38ХН3МФА.

Таблица 5 - Параметры компьютерного моделирования ЛТО и его результаты о hзо, Режим ЛТО , hзтв, А, Тмах оТмах. оТмин мах., опл., зтв., х10-х10-4 x10-2 x10-2 x10-c %,,, q0, , , опл. зтв зтв о о о м м c c c С С С x104 х103, х103, Вт/см2 м/с м 0.10 82 162.2 20 1.97 1.37 6.83 1832 765 8.0 3.4 12.0.22 89 161.7 10 2.51 1.89 9.00 1978 774 18.9 1.1 27.0.55 91 161.1 5 2.75 2.08 1.03 2188 770 54.1 43.2 66. Результаты расчетов компьютерного моделирования соответствуют результатам аналогичных расчетов, полученных авторами других работ.

В четвертой главе разработано программное обеспечение для определения микротвёрдости материалов.

Разработка данного программного обеспечения осуществлялась в языке G в среде графического программирования LabView 7.0 и основана на технологии цифровой обработки изображений.

Программа выполняет следующие функции:

Открывает фотографию, на которой имеются отпечатки индентора микротвердомера; производит фильтрацию и бинаризацию изображения;

отделяет изображения отпечатков от других участков, с целью упрощения формы и структуры отпечатков; в зависимости от масштабного множителя определяет величину микротвёрдости для каждого отпечатка.

Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011619460.

Пятая глава посвящена разработке технологии и внедрению процессов лазерной обработки и лазерного легирования на промышленных предприятиях региона. Произведённые в производственных условиях, испытания показали увеличение износостойкости деталей из сталей энергетического машиностроения в 1.4 - 2.5 раз. Акты производственных испытаний прилагаются в диссертации.

Рекомендуемые режимы лазерной обработки приведены в приложении 26.

Общие выводы 1. В работе решена актуальная научная техническая задача по установлению влияния параметров лазерной обработки и легирования на структуру и свойства высоколегированных конструкционных сталей:

12Х18Н10Т, 38Х2МЮА, 08Х14Н5М2ДЛ, 38ХН3МФА, 38Х2Н2МА, 38Х2МЮА с повышенными требованиями по работоспособности и надежности для изделий энергетического машиностроения, за счет повышения коррозионной стойкости, износостойкости поверхностей.

2. Установлена зависимость глубины зоны при термическом упрочнении и легировании от скорости перемещения образцов и мощности лазерной энергии в исследованных марках сталей, в результате чего выявлен ряд закономерностей: с увеличением скорости перемещения образца, глубина оплавленной и легированной зоны уменьшается; при увеличении мощности лазерного излучения, глубина зоны обработки возрастает; глубина оплавленной и легированной части зоны обработки у исследованных марок стали различна и достигают до 0.23 мм.

3. Установлена зависимость глубины слоя легирования от скорости обработки на примере стали 38Х2МЮА. При исследовании выявлено, что повышение скорости от 5 мм/с до 20 мм/с приводит к уменьшению размеров ванны легирования в 2 раза, при этом в структуре происходят существенные изменения формы кристаллитов, что оказывает значительное влияние на износостойкости стали.

4. Разработана математическая модель процесса лазерной обработки, позволяющая прогнозировать результаты действия данного процесса на расчетную глубину оплавления и расчетное распределение температуры в зоне термического влияния.

5. Износостойкость низкоуглеродистых сталей 03Х21Н32М3Б и 12Х18Н10Т, имеющих в исходной структуре аустенитную фазу, повышается на 10 - 30 %. Повышение износостойкости поверхности среднелегированных конструкционных сталей 38Х2МЮА, 38Х2Н2МА и 38ХН3МФА составляет до 50 %, а подповерхностного слоя сталей 38Х2Н2МА и 38ХН3МФА 1.0 - 2.0 раза. У стали переходного аустенитно-мартенситного класса 08Х14Н5М2ДЛ повышение износостойкости составляет 1.5 - 2.0 раза.

6. Износостойкость стали 38Х2МЮА после лазерного легирования смесью порошков увеличивается, причем смесь Cr-Mo-Al-(NH2)2CO, обеспечивает повышение сопротивления поверхности на износ в 6.5 - 9.5 раз, а смесь Al-(NH2)2CO увеличивается в 2.86 - 3.58 раза в подповерхностном слое.

7. Установлено, что при ЛТО сталей 03Х21Н32М3Б и 12Х18Н10Т поверхностные слои оплавленного металла не склонны к межкристаллитной коррозии.

8. Установлено, что предельная удельная энергия деформации Wc после лазерной обработки не сохраняет пропорциональную зависимость от твердости как это наблюдается в исходном состоянии сталей. Это также подтверждает, что относительная износостойкость сталей, определенная после ЛТО, является функцией и твердости сплава и градиента твердости поверхностных слоев.

10. Разработано программное обеспечение УПрограмма измерения микротвёрдостиФ, позволяющее определять значения микротвердости материала, это позволяет сокращать время и трудовую затрату на осуществление данного измерения.

11. Разработаны и апробированы на ООО Гидротермаль и ОАО Инженерный центр промышленные технологии лазерного термического упрочнения и лазерного легирования для деталей типа штуцеров, фланцев, втулок и поворотных клапанов из сталей широко применяемых в энергетическом машиностроении, что подтверждено соответствующими актами. Результаты работы внедрены в учебный процесс на кафедре Материаловедение и технология новых материалов НГТУ им. Р.Е.

Алексеева в дисциплинах Теория, технология и оборудование высокоэнергетических методов обработки материалов, Технология высокоэнергетических методов обработки материалов, Теория термической и химико-термической обработки и Физические основы лазерного термоупрочнения, наплавки, резки.

Основные публикации по теме диссертации Публикации в рецензируемых научных журналах 1. Кастро, В.А. Особенности формирования структуры сталей при лазерном термическом цикле / В.А. Кастро, Г.Н. Гаврилов, И. Брауэр, Е.С.

Беляев // Заготовительные производства в машиностроении. - 2011. - № 12. - С. 38-41.

Патенты и свидетельства 2. Кастро, В.А. Лазерная установка для обработки внутренней поверхности изделий / Г.Н. Гаврилов, Ю.Н. Вавилов, Н.В. Успехова, И.С.

евочкин, Е.С. Беляев, В.А. Кастро // Патент RU 90792 C21D 1/09.

2009133811/22; заявл. 08.09.2009; опубл. 20.01.2010.Бюл. № 2.

3. Кастро, В.А. Лазерная установка для обработки внутренней поверхности изделий / Г.Н. Гаврилов, В.А. Кастро, Ю.Н. Вавилов. // Патент RU 79286 C21D 1/09. 2008131258/22; заявл. 29.07.2008; опубл. 27.12. 2008.

4. Программа измерения микротвердости / В.А. Кастро, Г.Н. Гаврилов, С.В. Костромин, В.А. Хренов, Е.С. Беляев // Свидетельство о госуд.

регистрации программы для ЭВМ. - № 2011619460; заявл. 18.10.211; опубл.

14.12.2011.

Публикации в других изданиях 5. Кастро, В.А. Лазерное упрочнение и повышение износостойкости конструкционной стали / В.А. Кастро, М.Ю. Попков, Г.Н. Гаврилов // Будущее технической науки: тез. докл. Х Междунар. молодежной науч.-техн.

конф. - Н.Новгород: НГТУ, 2011 г. - С. 239-240.

6. Кастро, В.А. Влияние импульсного прессования на композицию железа с нанопорошками вольфрама / В.А. Кастро, Г.Н. Гаврилов, А.В.

Терентьев // Будущее технической науки: тез. докл. Х Междунар.

молодежной науч.-техн. конф. - Н.Новгород: НГТУ, 2011 г. - С. 246-247.

7. Кастро, В.А. Способ устранения -феррита в высоколегированной стали 13Х15Н4АМ3 с применением лазерной обработки / В.А. Кастро // XIV Нижегород. сессия молодых учёных. Технические науки: тез. докл. - Н.

Новгород, 2009 г. - С. 64-65.

8. Кастро, В.А. Исследование микроструктуры и свойств стали 13Х15Н4АМ3 после лазерной термической обработки / В.А. Кастро // III Всероссийский смотр научных и творческих работ иностранных студентов и аспирантов: тез. докладов. ЦТомск: ТПУ, 2009г. - С. 87-92.

9. Кастро, В.А. Исследование и разработка высокоэффективных технологий термического упрочнения высоколегированных конструкционных сталей / В.А. Кастро, И. Брауэр // Будущее технической науки: тез. докл. VII Междунар. молодежной науч.-техн. конф. - Н.Новгород:

НГТУ, 2008 г. - С. 180-182.

10. Кастро, В.А. Исследование микроструктуры и свойств мартенситностареющей стали 06Х16Н4Д2МБТ после лазерной термической обработки / В.А. Кастро, У. Бернерс // Будущее технической науки: тез. докл. VII Междунар. молодежной науч.-техн. конф. - Н.Новгород: НГТУ, 2008 г. - С.

182-183.

Приложения Приложение 2 - Распределение Приложение 1- Микроструктура стали микротвердости в стали 03Х21Н32М3Б 03Х21Н32М3Б после ЛТО.

по глубине зоны лазерного воздействия.

а) б) Приложение 3 а) - микроструктура стали 12Х18Н10Т после лазерной термической обработки, б) - микроструктура поверхности лазерной ванны.

Приложение 4 - Распределение микротвердости в стали 12Х18Н10Т по глубине зоны лазерного Приложение 5 воздействия.

Микроструктура стали 38Х2МЮА после лазерной термической обработки при режиме 1.5x104 Вт/см2, V=20 мм/с аПриложение 7 - Зависимость Приложение 6 - Зависимости коэффициентов эффективности микротвердости стали 38Х2МЮА от лазерной термообработки К стали глубины лазерного воздействия.

38Х2МЮА от времени скольжения при разных режимах излучения.

Приложение 8 - Микроструктура стали марки 08Х14Н5М2ДЛ после лазерной термообработки при режиме 2.5x104 Вт/см2, V=20 мм/с аПриложение 9 - Зависимость аПриложение 10 - Зависимость микротвердости стали 08Х14Н5М2ДЛ коэффициента эффективности от глубины лазерного воздействия при лазерной термообработки К стали разных режимах.

08Х14Н5М2ДЛ от времени испытания при разных режимах излучения.

Приложение 11 Микроструктура стали 38ХН3МФА после лазерной термической обработки 2.2x104 Вт/см2, V=20 мм/с.

аПриложение 12 - Зависимость микротвердости стали 38ХН3МФА Приложение 13 - Зависимости от глубины лазерного воздействия при коэффициентов эффективности разных режимах.

азерной термообработки К стали 38ХН3МФА от времени при разных режимах излучения.

аПриложениеа15 - Зависимости Приложение 14 - Зависимость коэффициентов эффективности микротвердости стали 38Х2Н2МА от лазерной термообработки К стали глубины лазерного воздействия при 38Х2Н2МА от времени скольжения при разных режимах.

разных режимах излучения.

Приложение 16 - Микроструктура зоны лазерного легирования стали марки 38Х2МЮА смесью порошков Cr, Mo, Al и (NH2)2CO при режиме W=3.8 x1Вт/cм2, V= 5 мм/с.

аПриложение 18 - Зависимости аПриложение 17 - Распределениеа коэффициента эффективности микротвердости по глубине лазерного лазерного легирования К от воздействия при разных режимах расстояния скольжения при разных лазерного легирования стали марки режимах излучения. Сталь 38Х2МЮА, 38Х2МЮА смесью порошков Cr, Mo, Al легирована смесью порошков Cr, Mo, Al и (NH2)2CO.

и (NH2)2CO.

аПриложение19 - Микроструктура зоны лазерного легирования стали марки 38Х2МЮА смесью порошков Al и (NH2)2CO при режиме W=3.8 x104 Вт/cм2, V= мм/с.

Приложение 20 - Распределениеа Приложение 21 - Зависимости микротвердости по глубине лазерного коэффициента эффективности лазерного воздействия при разных режимах легирования К от пути скольжения при лазерного легирования стали марки разных режимах излучения. Сталь 38Х2МЮА смесью порошков Al и 38Х2МЮА, легирована смесью порошков (NH2)2CO. Al и (NH2)2CO.

а) б) Приложение 22 - Зависимости предельной удельной энергии деформации Wc от твердости Н. а) - значения твердости в исходном состоянии сталей; б) - значения твердости после ЛТО сталей.

Приложение 24 - Зависимость Приложение 23 - градиент износостойкости от градиента неравномерности микротвердости неравномерности микротвердости исследуемых сталей после ЛТО.

исследуемых сталей после ЛТО.

Приложение 25 - Термическая и лазерная обработка образцов Исходная Предварительная Вид лазерной Параметры лазерной обработки структура и термическая обработки Мощность Р, Диаметр лаз. пятна , Скорость обработки Вт мм V, мм/с марка стали обработки 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 Аустенит:

12Х18Н10Т Закалка Термоупрочнение 515 690 730 - 1.7 2.0 2.2 - 20 20 20 - 03Х21Н32М3Б Закалка Термоупрочнение 515 690 730 - 2.0 2.0 2.0 - 20 20 20 - Аустенит + мартенсит: Закалка Термоупрочнение 700 700 700 - 1.9 2.1 2.3 - 20 20 20 - 03Х14Н5М2ДЛ Феррит + Нормализация Термоупрочнение 515 690 730 - 2.1 2.1 2.1 - 20 20 20 - перлит:

38Х2МЮА 680 630 640 640 2.2 2.5 2.3 2.5 20 15 10 Закалка + отпуск Термоупрочнение Сорбит:

38Х2Н2МА Сорбит:

Термоупрочнение Закалка + отпуск 680 630 640 640 2.0 2.5 2.2 2.8 20 15 10 38ХН3МФА Феррит + Легирование перлит: смесью порошков:

38Х2МЮА Нормализация Cr:50%, Al:31.2%, 1000 1000 1000 1000 1.8 1.8 1.8 1.8 5 10 15 (NH2)2CO:12.5%, Mo:6.3%.

38Х2МЮА Нормализация Легирование 1000 1000 1000 1000 1.8 1.8 1.8 1.8 5 10 15 смесью порошков:

Al: 71.4% и (NH2)2CO: 28.6%.

Приложение 26 - Рекомендуемые режимы лазерной обработки Свойства стали при лазерной обработке Исходная Параметры лазерной обработки до структура и Вид лазерной Микропосле марка стали обработки структура Мощность Диаметр Скорость Глубина Микро- Коэффициент КоррозионноР, лаз. обработки слоя твердость износостойкости стойкость Вт пятно , V, упрочнения, H,аК мм мм/с мм МПа 2492 1.Аустенит: Термоупрочнение 730 1.7 20 0.15 Не склонная Прилож. 2147 1.12Х18Н10Т а,б.

1.03Х21Н32М3Б Термоупрочнение 690 2.0 20 0.19 Не склонная Прилож. 17а,б.

1.21Аустенит + мартенсит:

3912 1.03Х14Н5М2ДЛ Термоупрочнение 700 1.9 20 0.35 - Прилож. 3902 2.Феррит + 28перлит:

1.Термоупрочнение 515 2.1 20 0.13 - Прилож. 7138Х2МЮА 1.29Сорбит:

1.640 - - 38Х2Н2МА 62Термоупрочнение 2.3 20 0.1.1.34640 - Прилож. 38ХН3МФА Термоупрочнение 2.2 20 0.1.63Феррит + перлит: Легирование 2336 1.38Х2МЮА 1000 1.83 10 0.11 - Прилож. 6566 4.2336 1.38Х2МЮА Легирование 1000 1.83 5 0.19 - Прилож. 6337 2. Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям