Лазерная модификация поверхности нержавеющей хромоникелевой стали 12Х18Н10Т порошком диоксида титана в углеродосодержащей среде

ЛАЗЕРНАЯ МОДИФИКАЦИЯ ПОВЕРХНОСТИ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ ХРОМОНИКЕЛЕВОЙ СТАЛИ 12Х18Н10Т ПОРОШКОМ ДИОКСИДА ТИТАНА В УГЛЕРОДОСОДЕРЖАЩЕЙ СРЕДЕ Проскуряков Виталий Игоревич, ассистент Саратовский государственный технический университет

имени Гагарина Ю.А.

Представлены результаты исследования влияния предварительной аб-разивноструйной и шлифовальной обработки на морфологические характеристики нержавеющей хромоникелевой стали после лазерной модификации. Проведены сравнительные исследования гранулометрического состава поверхности. Установлена зависимость суммарной пористости от режимов лазерной обработки.

Введение

Нержавеющая хромоникелевая сталь марок 12Х18Н9Т и 12Х18Н10Т благодаря высокой коррозионной стойкости широко применяется в химической, пищевой, машиностроительной, медико-технической и других отраслях промышленности [1-5]. Изделия из нержавеющих сплавов, зачастую функционирующие в условиях контактного трения, подвергаются преждевременному износу. Соответственно возникает необходимость продления срока службы таких деталей [6]. Для повышения эксплуатационных характеристик таких изделий применяют методы поверхностного упрочнения. На сегодняшний день наиболее универсальным методом модификации поверхностного слоя материала является воздействие лазерным излучением. Основными преимуществами лазерной обработки являются: возможность локального воздействия, формирование высокопрочного поверхностного слоя с заданными параметрами структуры.

Лазерное излучение позволяет проводить термическое воздействие, сварку, наплавку и легирование. Лазерную обработку (ЛО) можно осуществлять также подачей легирующего элемента на материал основы при помощи специального оборудования, нанесением легирующего порошка на обрабатываемую поверхность, легированием в жидкой или газообразной среде, путём предварительной обмазки обрабатываемой поверхности определённым химическим составом [7,8]. Метод лазерного легирования пастами считается наиболее распространенным благодаря своей простой реализации. Следует отметить, что данный способ требует создания предварительной шероховатости поверхности, для обеспечения высокой адгезии обмазки. Стоит отметить определенные недостатки легирования пастами, а именно возможность трещинообразования, возникающую за счет появления больших внутренних напряжений и вероятность повышения пористости за счет выделения газов при выгорании различных неметаллических включений в основе металла [8].

Известно, что для формирования мелкозернистой структуры из мартенсита и остаточного аустенита, а также повышения износостойкости низкоуглеродистые стали подвергают цементации с последующей закалкой или азотированию. Для уменьшения склонности к межкристаллитной коррозии в состав стали вводят титан и ниобий [9-11].

Поэтому целью настоящей работы являлось определение зависимости структуры поверхности стали 12Х18Н10Т от предварительной подготовки образцов и режимов импульсного лазерного воздействия.

Методика эксперимента

Исследования проводили на образцах нержавеющей хромоникелевой стали 12Х18Н10Т, в виде пластин размерами 10х10х3 mm. Образцы подвергались предварительной абразивноструйной обработке (АСО) частицами порошка электрокорунда дисперсностью 200-250 цт или шлифованию (Ш) влагостойкой наждачной бумагой зернистостью Р230.

Образцы очищали от технологических загрязнений методом ультразвуковой очистки с использованием ванны «Кристал-2.5» в водном растворе этилового спирта в течение 20 min.

В качестве обмазки использовались графитовая паста (ГОСТ 8295-73) и порошок диоксида титана (анатаза) дисперсностью менее 25 цт, которые смешивались до образования однородной массы. Подготовленная паста наносилась на поверхность образцов равномерно распределённым слоем толщиной 200-300 цт. Модифицирование поверхностного слоя проводили на автоматизированной установке для термофизической когерентной модификации поверхности LRS-50A, при напряжении импульса U 300, 350, 400 V и длительностью т импульсного воздействия 0.75 и 1 ms. Луч фокусировался в пятно диаметром 1 mm. Сканирование поверхности осуществлялось при частоте следования импульсов излучения 10 Hz и коэффициенте перекрытия 0.25.

Структура поверхности исследовалась с использованием оптической системы микротвердомера ПМТ-3М. Анализ структуры поверхности проводили согласно известной методики по изображениям участков поверхности площадью 0,54 mm с использованием программного комплекса Metallograf [12]. Статистическую обработку результатов исследования проводили с использованием компьютерной программы DataFit 9.

Результаты исследования и их обсуждение

Поверхность стали после ЛО характеризуется равномерно распределенным рельефом. Предварительная обработка поверхности оказала существенное влияние на границы структурных элементов поверхности (рисунок 1).

Рисунок 1. Поверхность стали 12Х18Н10Т, предварительно подвергнутая АСО (а) и шлифованию (б) после лазерного легирования при Ц=400 V,

т=0,75 шб

Согласно проведенному гранулометрическому анализу поверхности после лазерного легирования, предварительно обработанной АСО, установлено, что при увеличении длительности импульсного воздействия от 0.75 до 1 ms уменьшается количество пор от 873 до 308. Увеличение напряжения приводит к росту размера зерен от 7 до 13 цт. Геометрия пор остается практически неизменной. Также следует отметить, что при увеличении напряжения количество зерен существенно увеличивается, а количество пор снижается (таблица 1).

Таблица 1 - Результаты гранулометрического анализа поверхности стали _12Х18Н10Т после АСО и лазерного легирования_

Режимы лазерного упрочнения Характеристики поверхности стали

Частицы Поры

т, ms U, V Кол-во, шт. Среднее значение, цт Дисперсия, цт 2 Кол-во, шт. Среднее значение, цт Дисперсия, цт 2 Суммарная пористость, %

0,75 300 185 8,40 34,20 873 6,72 12,02 74

350 322 12,34 40,07 588 6,88 28,13 75

400 477 13,48 34,60 522 6,19 21,60 66

1 300 393 7,32 27,36 511 7,73 23,80 78

350 435 9,63 26,52 520 6,15 21,40 66

400 443 13,08 31,63 308 7,09 27,57 66

Анализ гранулометрического состава поверхности стали после шлифования и лазерного легирования показал снижение количества пор в два раза и увеличение их размера с возрастанием напряжения и длительности импульсного воздействия (таблица 2).

Таблица 2 - Результаты гранулометрического анализа поверхности стали _12Х18Н10Т после шлифования и лазерного легирования_

Режимы лазерного упрочнения Характеристики поверхности стали

Частицы Поры

т, ms U, V Кол-во, шт. Среднее значение, цт Дисперсия, цт 2 Кол-во, шт. Среднее значение, цт Дисперсия, цт 2 Суммарная пористость, %

0,75 300 551 6,43 17,73 1003 5,77 20,18 79

350 570 7,18 20,98 589 6,88 28,13 71

400 589 8,52 26,07 382 6,18 23,75 63

1 300 877 5,26 13,86 794 6,40 16,17 83

350 449 10,08 30,41 592 5,93 20,10 67

400 507 9,75 30,38 490 7,51 30,38 66

Одной из значимых характеристик поверхности является пористость (Р,%). По результатам измерений (таблицы 1, 2) были построены эмпирические модели зависимости открытой пористости от режимов лазерного воздействия (рисунок 2).

Рисунок 2. Пористость (P,%) поверхности стали после АСО (а) (P = 31,33-6,66U+19350/t-1260000/t2) и шлифования (б) (P = 307+4U-1,2150t +1,5т2) с последующим лазерным легированием при заданном напряжении (U,V) и

длительности импульса

На построенных эмпирических моделях (рисунок 2) видно, что общая пористость поверхности хромоникелевой стали зависит в большей степени от напряжения импульса. С увеличением этого параметра величина открытой суммарной пористости снижается. Следует отметить, что самая низкая пористость наблюдается при минимальном значении напряжения импульса.

На основании проведенных исследований можно сделать вывод о том, что предварительная обработка поверхности шлифованием в отличие от абразивноструйной обработки позволяет получить более равномерно распределенную структуру поверхностного слоя стали 12Х18Н10Т в резуль-

тате лазерного легирования порошком диоксида титана в углеродосодер-жащей среде.

Список литературы

1. Родионов И.В. Коррозионные потенциалы различных видов поверхностей стальных ортопедических остеофиксаторов в физиологическом растворе // Коррозия: материалы, защита. №11, 2009. С. 6-10.

2. Родионов И.В., Бутовский К.Г., Анников В.В., Хапрова Т.С. Поверхностно-структурные характеристики термооксидных биопокрытий остеофиксаторов из стали 12Х18Н9Т / Сб. докладов 2-го Междунар. научно-технического симпозиума «Нанострук-турные функциональные покрытия и материалы для промышленности» Харьковской на-нотехнологической ассамблеи - 2007. Т.1. Наноструктурные материалы. Украина, Харьков, 2007. С. 139-145.

3. Родионов И.В., Гоц И.Ю., Попова С.С., Серянов Ю.В. Катодное внедрение лантана в термооксидные биопокрытия стальных остеофиксаторов для создания их тромборези-стентности / Сборник науч. статей 3-й Всеросс. конф. «Актуальные проблемы электрохимической технологии». Саратов: Изд-во Сарат. гос. техн. ун-та, 2008. С. 207-210.

4. Родионов И.В. Физико-химические и механические свойства функциональных термооксидных покрытий на медицинских имплантатах из нержавеющей стали // Физика и химия обработки материалов. №4, 2012. С. 45-52.

5. Родионов И. В., Ромахин А. Н. Изменение микротвердости нержавеющей хромонике-левой стали 12Х18Н9Т при упрочняющей термической обработке на воздухе и в среде перегретого водяного пара / Материалы II Междунар. научн.-практ. конф. «Перспективное развитие науки, техники и технологий». В 2-х томах. Курск: Юго-Зап. гос. ун-т. Том 2. С. 88-91.

6. Ким В. А., Башков О. В., Сатаева И. В. Локальное лазерное легирование нержавеющей стали 12Х18Н10Т // Ученые записки Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета. - 2016. - Т. 1. - №. 2. - С. 64-70.

7. Бирюков В. Лазерное упрочнение и легирование сталей // Фотоника. - 2011. - Т. 27. -№. 3. - С. 34-37.

8. Хаскин В. Ю., Шелягин В. Д., Бернацкий А. В. Современное состояние и перспективы развития технологий лазерной и гибридной наплавки (Обзор) // Автоматическая сварка. - 2015. - С. 30-33.

9. Григорьянц А. Г., Шиганов И. Н., Мисюров А. И. Технологические процессы лазерной обработки. - М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2006. - 664 с.

10. Бураков В. А., Бровер Г. И., Буракова Н. М. Повышение теплостойкости быстрорежущих сталей лазерным легированием // Металловедение и терм. обработка мет. -1985. -№11. - С. 2-6.

11. Тарасова Т. В. и др. Лазерная термообработка коррозионностойкой стали 12Х18Н10Т // Материалы XIX международного симпозиума «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» имени А.Г. Горшкова. - 2013. -С. 38-42.

12. Fomina, M., Koshuro, V., Papshev, V., Rodionov, I., Fomin, A. Surface morphology data of tantalum coatings obtained by electrospark alloying Data in Brief. 2018. 20. P.1409-1414.

Vitaly I. Proskuryakov, assistant

Saratov state technical University Yuri Gagarin

LASER SURFACE MODIFICATION OF STAINLESS CHROMIUM-NICKEL STEEL 12KH18N10T POWDER OF TITANIUM DIOXIDE IN CARBON-CONTAINING ENVIRONMENT

The results of the study of the effect of preliminary abrasive jet and grinding treatment on the morphological characteristics of stainless chromium-Nickel steel after laser modification are presented. Comparative studies of the particle size distribution of the surface are carried out. The dependence of the total porosity of the laser treatment modes.