Структурообразование сплавов на железной основе после лазерного легирования

УДК 621.891:621.793

Структурообразование сплавов на железной основе после лазерного легирования

Кандидаты техн. наук О. В. Дьяченко11), М. А. Кардаполова1), инж. Н. Ю. Маркевич1)

^Белорусский национальный технический университет

© Белорусский национальный технический университет, 2016 Belаrusian National Technical University, 2016

Реферат. Статья посвящена изучению влияния режимов лазерной обработки газотермических и клеевых покрытий из самофлюсующихся порошков на железной основе после оплавления с модифицирующими обмазками на их шероховатость и фазовый состав. Для исследования влияния параметров на микрогеометрию покрытий использован один из методов математического планирования - метод полного факторного эксперимента. В результате проведенных исследований прослежена общая закономерность, не зависящая от вида легирующей обмазки: с увеличением скорости луча лазера относительно обрабатываемой детали, диаметра луча значение параметра Ra становится меньше. Уменьшение высоты неровностей поверхности с ростом скорости луча лазера связано с интенсификацией процессов испарения. Увеличение диаметра луча уменьшает параметр Ra поверхности. Это связано с уменьшением плотности мощности при большей степени расфокусирования луча. Коэффициент перекрытия не оказывает заметного влияния на параметр Ra оплавляемых покрытий. С увеличением скорости движения луча лазера относительно детали структура из дендритной превращается в пересыщенную с выделениями карбидов и боридов. Установлено, что технологические параметры лазерной обработки, в частности скорость луча лазера, влияют на состав покрытий. С увеличением скорости до v5 = 5 • 10-3 м/с количество хрома стало больше в 1,5 раза, что привело к повышению микротвердости покрытия от 9,5-10,1 до 11,04-15,50 ГПа.

Ключевые слова: сплавы, структурообразование, лазерное легирование, железная основа

Для цитирования: Дьяченко, О. В. Структурообразование сплавов на железной основе после лазерного легирования / О. В. Дьяченко, М. А. Кардаполова, Н. Ю. Маркевич // Наука и техника. 2016. Т. 15, № 1. С. 46-51

Structure Formation of Alloys on Iron Basis After Laser Alloying O. V. Diachenko1), M. A. Kardapolova1), N. Yu. Markevich1)

^Belarusian National Technical University

Abstract. The paper is devoted to investigations on influence of laser treatment regimes of gas-thermal and adhesive coatings from self-fluxing powders on iron basis and after melting with modifying plaster on their roughness and phase composition. One of mathematical planning methods that is a complete factor experiment method has been used for investigation of parameters' influence on micro-geometry of coatings. The executed investigations have made it possible to observe a general regularity which does not depend on a type of alloying plaster: while increasing speed of laser beam relatively to treated part, beam diameter value of Ra parameter is becoming less. Decrease in height of surface irregularities in case of increasing laser beam speed is related with intensification of evaporation processes. An increase in beam diameter diminishes Ra parameter of the surface. This is due to the fact that decrease in power density occurs at high rate of beam defocusing. Overlapping coefficient does not exert a pronounced effect on Ra parameter of fused coatings. While increasing the speed of laser beam relatively to the part structure is transferred from dendrite into supersaturated one with carbide and boride precipitations. It has been

Адрес для переписки Address for correspondence

Дьяченко Ольга Владимировна Diachenko Olga V.

Белорусский национальный технический университет Belarusian National Technical University

просп. Независимости, 65, 65 Nezavisimosty Ave.,

220013, г. Минск, Республика Беларусь 220013, Minsk, Republic of Belarus

Тел.: +375 17 293-95-04 Tel.: +375 17 293-95-04

tiro@bntu.by.ru tiro@bntu.by.ru

Наука

итехника. Т. 15, № 1

established that technological parameters of laser treatment and particularly speed of laser beam influence on coating composition. While increasing the speed up to v5 = 5 • 10-3 m/s amount of chromium has become larger by 1.5-fold that resulted in increase of micro-hardness of the coating from 9.5-10.1 GPa up to 11.04-15.50 GPa.

Keywords: alloys, structure formation, laser alloying, iron basis

For citation: Diachenko O. V., Kardapolova M. A., Markevich N. Yu.

Введение

Обеспечение длительного срока службы режущего инструмента для нарезания гастрономических продуктов, его надежности и стойкости, определяющих длительность и эффективность его эксплуатации, зависит в первую очередь от механических свойств рабочих поверхностей инструмента. В последнее время пристальное внимание уделяется разработкам самофлюсующихся сплавов на железной основе, содержащих бор и кремний. Эти материалы можно считать более перспективными при получении дешевых покрытий, чем порошки на никелевой основе [1].

Для изучения формирования покрытий интересно изучить влияние режимов лазерной обработки и легирующих компонентов на фазовый состав и микрогеометрию покрытий [1-8]. При лазерном упрочнении и легировании след (дорожка) лазерного воздействия имеет в поперечном сечении форму пика, высота которого зависит от режимов обработки.

Цель настоящей работы - исследовать шероховатость и фазовый состав покрытий (после плазменного напыления и клеевых покрытий) самофлюсующегося сплава на железной основе.

Методика исследований

Опыты проводили на образцах 050 мм из стали 40Х. В качестве материала для напыления использовали самофлюсующийся сплав из порошка ПР-Х4Г2Р4С2Ф следующего химического состава: 83,1-87,6 % Fe, 3,3-4,3 % В, 3,5-4,5 % Сг, 2,0-2,5 % 81, 2,0-2,5 % Мп, 1,0-1,2 % С, 0,5-0,9 % V, 0,05-0,5 % А1, 0,05-0,5 % Си.

Подслой наносили на поверхность методом плазменного напыления с использованием установки УПУ-3Д с источником питания ИПН-160/600 и плазмотроном III1-25 на режимах: I = 250 А; и = 80 В; р = 0,6 МПа. Толщина

слоя 0,6 мм. Клеевое покрытие наносили на связке (3 % клея AGO в ацетоне).

Легирующие элементы наносили на поверхность плазменно напыленных покрытий в виде порошковых обмазок B4C, TaB, MoB на клеевой связке (3 % клея AGO в ацетоне) [2, 3]. Толщина слоя обмазки составляла 0,09-0,11 мм и контролировалась толщиномером МТ-40НЦ. Оплавление осуществляли с помощью непрерывного лазера JII Н-702 мощностью N = 800 Вт при диаметрах лазерного луча dj = 1,0 • 10-3 м; d2 = 3,0 • 10-3 м, со скоростями перемещения V\ = 0,83 • 10-3 м/с; v2 = 1,67 • 10-3 м/с; v3 = = 3,33 • 10-3 м/с; V4 = 5 • 10-3 м/с; V5 = 2,5 • 10-3 м/с, с коэффициентами перекрытия k = 0,8 и k2 = = 1,2 с целью получения единого фазового состава и заданных свойств по всей толщине покрытия.

После напыления и оплавления измеряли шероховатость образцов профилографом-про-филометром по ГОСТ 2789-73. Точечный мик-рорентгеноспектральный анализ (МРСА) проводили на рентгеновском микроскопе МРЭМ-200. Микрошлифы травили в 5%-м растворе пикриновой кислоты в спирте, затем в 5%-м растворе азотной кислоты в спирте.

Для исследования влияния параметров на структуру и некоторые физико-механические свойства покрытий использовали один из методов математического планирования - метод полного факторного эксперимента [9, 10]. Поскольку число варьируемых параметров невелико, оказалось возможным реализовать полную реплику, в которой число опытов равно 2 в степени, равной числу факторов (N = 2k), позволяющую в ходе эксперимента варьировать одновременно несколькими параметрами различной физической природы и получать раздельную, независимую оценку коэффициентов, что невозможно, например, при реализации дробной реплики. При этом необходимо, чтобы все независимые переменные, влияющие на процесс,

Н Наука

иТ ехника. Т. 15, № 1

изменялись на двух уровнях: минимальном и максимальном.

Серия состояла из восьми основных опытов. Полученная модель считалась линейной и учитывала взаимодействие факторов

У = Во + В\Х\ + В2Х2 + В2Х2 + В3Х3 +

+ В12Х1Х2 + В13Х1Х3 + В23Х2Хз,

где У - параметр оптимизации; X] - варьируемые факторы; Ву - коэффициенты регрессии, описывающие направление и степень влияния каждого из факторов на параметры оптимизации; Х1 - нормированное значение скорости перемещения лазерного луча (фактически производилось перемещение образца под лучом); Х2 - то же диаметра луча лазера в месте соприкосновения с поверхностью материала; Х3 - то же коэффициента перекрытия лазерных дорожек, т. е. отношение шага поперечной подачи (расстояние между средними линиями дорожек) к диаметру пятна.

Если фактор Х3 < 1, то происходило двукратное воздействие лазерного луча на часть поверхности металла.

Результаты исследований

и их обсуждение

Рассмотрим особенности формирования микрорельефа поверхности, подвергнутой лазерному воздействию. Лазерная дорожка в поперечном сечении обычно имеет форму пика, высота которого зависит от режима обработки. По обе стороны от возвышения дорожки расположены углубления, причем их суммарный объем значительно меньше объема возвышения. Это можно объяснить увеличением объема материала, имеющим место при мартенситных превращениях.

Особенности изменения параметра Яа покрытий необходимо учитывать при выборе оптимальных режимов лазерного оплавления, поскольку знание закономерностей формирования микрорельефа позволяет оперативно управлять качеством поверхности [6]. Оценка проведена по значению параметра Яа, которое измерено вдоль и поперек лазерной дорожки. Поскольку такое значение Яа служит оценочным параметром, используемым при назначении припуска,

особое внимание уделяли именно этой характеристике.

При малых значениях скорости луча лазера у1 = 0,83 • 10-3 м/с и плотности мощности д = 1,01 • 109 Вт/м2 в случае оплавления плазменных покрытий без легирования среднее арифметическое отклонение Яа имеет наивысшее значение - 49 мкм. С увеличением скорости до у4 = 5 • 10-3 м/с и при д = 1,01 • 109 Вт/м2 значение параметра Яа уменьшилось до 39 мкм. Для клеевого покрытия без легирования при тех же скоростях луча лазера величина Яа варьировалась от 50 до 42 мкм.

В случае лазерного легирования плазменных покрытий ТаВ, МоВ и В4С для проведения эксперимента выбрали план N = 23 для трех качественных факторов (скорость луча лазера, диаметр луча, коэффициент перекрытия). Результаты планируемого эксперимента обработаны на ЭВМ. Полученные уравнения регрессии приведены в табл. 1.

Таблица 1

Уравнения регрессии, связывающие параметр Яа оплавленной поверхности и режимы лазерной обработки

Regression equation connecting Ra parameter of fused coating and laser treatment regimes

Легирующий элемент Уравнение регрессии Параметр Ra, мкм

ТаВ Y = 0,055 - 0,0102X - 0,0055X2 + + 0,0048X3 - 0,001XX3 + + 0,0015XXX3 45-54

МоВ Y = 0,06 - 0,0079Xj - 0,00588X2 + + 0,001Щ - 0,00188X^2 + + 0,0006X^X2X3 46-70

В4С Y = 0,056 - 0,0066X -- 0,00388X2 + 0,0011X3 34-50

По уравнениям регрессии построены зависимости Яа от параметров лазерного легирования (рис. 1).

Прослежена общая закономерность - с увеличением скорости луча лазера и диаметра луча значение параметра Яа уменьшается. Снижение высоты неровностей поверхности с ростом скорости луча лазера связано с интенсификацией процессов испарения. Уменьшение параметра Яа с увеличением диаметра луча связано со снижением плотности мощности при увеличении степени расфокусирования луча.

Наука

итехника. Т. 15, № 1

а

Коэффициент перекрытия не оказывает заметного влияния на параметр Яа оплавляемых покрытий. При обработке с коэффициентом перекрытия 0,8 при наложении второй дорожки происходит оплавление первичного «гребешка» и образование вторичного ближе к центру первой дорожки. В результате рельеф поверхности представляет собой чередование «первичных» впадин и «вторичных» гребешков. Но не замечено какого-либо существенного изменения микронеровностей.

Установлено, что Яа зависит не только от лазерной обработки, но и от состава легирующего компонента. Это происходит из-за того, что легирующие вещества меняют коэффициент поверхностного натяжения, а образовавшиеся вследствие термокапиллярного эффекта после остывания обрабатываемой поверхности микронеровности также изменяются. Параметр Яа уменьшался от 49 мкм в покрытиях без легирования до 34 мкм в покрытиях после легирования В4С. Из всего перечисленного выше следует: максимальный припуск на механическую обработку необходим после лазерного оплавления клеевых покрытий без легирования, а минимальный - после лазерного легирования карбидом бора.

При исследовании режимов лазерной обработки на микроструктуру покрытий использовали точечный МРСА. Образцы оплавляли по режимам: V! = 1,67 • 10-3 м/с; й = 1,0 • 10-3 м; к = 0,8 и У2 = 5 • 10-3 м/с; й = 1,0 • 10-3 м; к = 0,8 (табл. 2).

b

Рис. 1. Микрогеометрия покрытия (параметр Ra) при k = 1,2, легированного: а - ТаВ; b - МоВ; c - В4С

Fig. 1. Coating micro-geometry (parameter Ra) at k = 1.2, alloyed: a - ТаВ; b - МоВ; c - В4С

При обработке более жестким режимом (образец № 1) преобладающая структура - мелкие дендриты, ориентированные в направлении теплоотвода. При более мягком режиме (образец № 2) структура представляет собой пересыщенный твердый раствор с вкраплениями карбидов и боридов. Измерения проводили по телу дендрита и в междендритном пространстве (рис. 2а, b).

Таблица 2

Анализ структурных составляющих покрытия Analysis of coating structural components

Элемент Содержание составляющих, %

Образец Точка Cr Si Mn V Fe

Область дендритов, образец № 1 1 3,28 1,01 1,77 1,05 Основа

2 3,18 1,38 1,97 0,90

3 3,99 0,82 1,50 0,99

4 3,82 0,57 1,50 0,91

5 2,95 1,00 1,81 0,91

6 2,46 0,79 1,30 0,45

7 8,15 0,40 1,17 0,76

8 3,81 0,68 1,39 0,58

Область карбидов, образец № 2 9 5,18 0,37 1,56 1,27 Основа

10 5,14 0,50 1,67 0,89

11 3,42 0,57 1,97 1,12

12 4,12 0,52 1,42 0,60

13 5,71 0,81 1,35 0,83

14 5,63 0,29 1,21 0,80

15 4,48 0,46 1,22 0,57

16 3,04 0,87 1,84 0,85

17 5,02 0,43 1,05 0,79

18 4,11 1,23 1,86 0,77

19 5,48 0,82 1,17 0,83

H Наука

иТ ехника. Т. 15, № 1

Рис. 2. Микроструктура покрытий, полученных оплавлением порошка ПР-Х4Г2Р4С2Ф, легированного В4С при:

а - v1 = 0,83 • 10-3 м/с; b - v2 = 5 • 10-3 м/с Fig. 2. Micro-structure of coatings obtained due to melting of ПР-Х4Г2Р4С2Ф powder alloyed by В4С at:

а - v1 = 0,83 • 10-3 m/s; b - v2 = 5 • 10-3 m/s

Из данных табл. 2 следует, что дендриты обогащены хромом. Дендриты первого порядка (режим I, рис. 2а) закристаллизовались в первую очередь и максимально обогащены хромом (3,18-3,98 %). Дендриты второго порядка менее обогащены легирующими веществами, в частности хромом (3,28 %). Микротвердость дендритов составила 9,5-10,1 ГПа. В междендритной области количество V и Сг свидетельствовало о смеси фаз, в том числе бо-ридов и карбидов хрома и ванадия; причем хрома, кремния, марганца и ванадия несколько меньше, чем в дендритной. Микротвердость в данном случае уменьшилась до 6,8 ГПа. С приближением к основе наблюдалось некоторое снижение хрома в дендритах от 3,18-3,28 до 2,46-2,95 %, а также от 1,01-1,38 до 0,79-1,00 %, что и уменьшает микротвердость до 8,4-8,9 ГПа. В точке Т7 (дендрит) наблюдался резкий скачок содержания Сг до 8,15 % и уменьшение количества до 0,40 %. Это свидетельствует об образовании карбида хрома Сг7С3. Микротвердость основы колебалась незначительно (от 3,9 до 4,3 ГПа).

При повышенной скорости сканирования лучом лазера (режим II: у2 = 5 • 10-3 м/с,

= 1,0 • 10-3 м, к\ = 0,8, рис. 2Ь) в структуре наблюдались избыточные выделения боридов и карбидов размером примерно 5-8 мкм.

В пересыщенной карбидо-боридной фазе (рис. 2Ь) отмечены резкое (в 1,5 раза) повышение содержания хрома и снижение примерно в 2,5-2,7 раза кремния. Микротвердость данной фазы возросла до 11,04-15,45 ГПа. В твер-

дом растворе содержание хрома уменьшилось (3,04-4,12 %), содержание кремния также снизилось до 0,87-1,23 %, что и привело к уменьшению микротвердости до 6,77-7,95 ГПа. Микротвердость в переходной зоне между покрытием и основой составила 5,84-6,13 ГПа, микротвердость основы 4,12 ГПа.

Параметры лазерной обработки сыграли существенную роль в изменении микроструктуры, микротвердости и химического состава получаемых покрытий. С увеличением скорости луча лазера структура из дендритной превратилась в пересыщенную с выделениями карбидов и боридов. При этом в покрытии повысилось содержание хрома, снизилось содержание кремния, а микротвердость возрасла.

ВЫВОДЫ

1. Установлено, что на значение Яа оказывают влияние легирующие добавки, но в большей степени параметры лазерной обработки. Это происходит следующим образом: с ростом скорости луча лазера высота неровностей поверхности снижается; увеличение диаметра луча уменьшило микрогеометрию поверхности; коэффициент перекрытия не оказал заметного влияния на микрогеометрию оплавляемых покрытий.

2. С увеличением скорости движения луча лазера относительно детали структура из дендритной превращается в пересыщенную с выделениями карбидов и боридов. При этом в покрытии наблюдается повышение содержания хрома и снижение количества кремния.

Наука

итехника. Т. 15, № 1

3. Установлено, что технологические параметры лазерной обработки, в частности скорость луча лазера, влияют на состав покрытий. Покрытие, оплавленное на скорости VI = = 0,83 • 10-3 м/с при плотности мощности q = = 1,01 • 109 Вт/м2, представляет собой смесь а- и у-железа, обогащенного Сг (3,18-3,98 %). С ростом скорости до v5 = 5 • 10- м/с количество Сг увеличилось в 1,5 раза, что привело к повышению микротвердости покрытия от 9,5-10,1 до 11,04-15,5 ГПа.

4. По результатам исследований установлено, что максимальный припуск на механическую обработку необходим после лазерного оплавления клеевых покрытий без легирования, а минимальный - после лазерного легирования карбидом бора.

ЛИТЕРАТУРА

1. Особенности образования структуры в сталях, подвергнутых лазерному поверхностному легированию / А. Б. Лысенко [и др.] // Металловедение и термическая обработка металлов. 1995. № 12. С. 10-12.

2. Григорьянц, А. Г. Технологические процессы лазерной обработки / А. Г. Григорьянц, И. Н. Шиганов, А. И. Мисюров / под ред. А. Г. Григорьянца. М.: Изд-во МГТУ имени Н. Э. Баумана. 2006. 664 с.

3. Коваленко, В. С. Прогрессивные методы лазерной обработки материалов / В. С. Коваленко. Киев: Ви-ща шк., 1985. 88 с.

4. Декер, И. Промышленное применение лазера / И. Декер // Семинар в Брауншвейге (Германия). 1990. С. 351-355.

5. Астапчик, С. А. Высокоэнергетические методы обработки материалов (лазер, электроэрозия, магнитное поле, водяная струя высокого давления, электротермия) / С. А. Астапчик // Весщ НАН Беларусг Сер. фiз.-тэхн. навук. 2002. № 1. С. 39-48.

6. Свойства, получение и применение тугоплавких соединений / А. Г. Алексеев [и др.] // Под ред. Т. Я. Ко-солаповой. М.: Металлургия, 1986. 928 с.

7. Савицкий, Е. М. Тугоплавкие металлы и сплавы / Е. М. Савицкий, Г. С. Бурханов, К. Б. Поварова. М.: Металлургия, 1986. С. 116.

8. Стерин, И. С. Машиностроительные материалы. Основы металловедения и термической обработки / И. С. Сте-рин. СПб.: Изд-во «Политехника», 2003. 343 с.

9. Вознесенский, В. А. Статистические методы планирования эксперимента в технико-экономических исследованиях / В. А. Вознесенский. М.: Финансы и статистика, 1991. 264 с.

10. Каледин, Б. А. Планирование экспериментов в порошковой металлургии. Минск: Изд-во БПИ, 1982. Ч. I: Планы первого порядка. 61 с.

Поступила 12.03.2015 Подписана в печать 15.05.2015 Опубликована онлайн 22.01.2016

REFERENCES

1. Lysenko A. B., Kozina N. N., Miroshnichenko I. S., Borisova G. V. (1995) Peculiar Features in Structure Formation of Steels Subjected to Laser Surface Alloying. Metallovedenie i Termicheskaya Obrabotka Metallov [Metal Science and Thermal Treatment of Metals], (12), 10-12 (in Russian).

2. Grigoryants A. G., Shiganov I. N., Misiurov A. I. (2006) Technological Processes of Laser Treatment. Moscow: Publishing House of Bauman Moscow State Technical University. 664 p. (in Russian).

3. Kovalenko V. S. (1985) Progressive Methods for Material Laser Treatment. Kiev, Visha Shkola. 88 p. (in Russian).

4. Deker I. (1990) Industrial Laser Application. Workshop in Braunschweig (Germany), 351-355.

5. Astapchik S. A. (2002) High-Energy Methods for Material Treatment (Laser, Electro-Erosion, Magnetic Field, High-Pressure Water Jet, Electrothermy). Izvestiia Natsionalnoi Akademii Nauk Belarusi. Ser. Fiziko-Tekhnicheskikh Nauk [Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physico-Technical Series], (1), 39-48 (in Russian).

6. Alekseev A. G., Bovkun G. A., Bolgar A. S., Borisova A. L., Brakhnova I. T., Vinitskii I. M., Tordienko S. P. (1986) Properties, Obtaining and Application of High-Melting Compounds: Reference Book. Moscow, Metallurgiya. 928 p. (in Russian).

7. Savitsky E. M., Burkhanov G. S., Povarova K. B. (1986) High-Melting Metals and Alloys. Moscow, Metallurgiya, 116. (in Russian).

8. Sterin I. S. (2003) Engineering Materials. Fundamentals of Metal Science and Thermal Treatment. Saint-Petersburg, Publishing House "Politekhnika". 343 p. (in Russian).

9. Voznesensky V. A. (1991) Statistical Methods for Experiment Planning in Technical and Economical Investigations. Moscow, Publishing House "Finansy i Statisti-ka". 264 p. (in Russian).

10. Kaledin B. A. (1982) Planning of Experiments in Powder Metallurgy. Vol. I: Plans of 1st Order. Minsk: Publishing House of Belarusian Polytechnical Institute. 61 p. (in Russian).

Received: 12.03.2015 Accepted: 15.05.2015 Published online: 22.01.2016

Наука

ит ехника. Т. 15, № 1