Инновационная технология скоростного азотирования стали

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кафедра литейного производства

Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», Харьков, УКРАИНА

Инновационная технология скоростного азотирования стали

Иданалаа Фадили

О.В. Акимов

Е.А. Костик

Применение ресурсосберегающих технологий для повышения эксплуатационного срока службы стальных деталей является наиболее перспективным решением увеличения долговечности деталей машин. Проблема отказа механизмов машин преимущественно связана с поверхностным разрушением, а именно с износом [1], ее можно решить с помощью разработки новых технологий поверхностного упрочнения деталей, легко поддающихся изнашиванию. Одним из актуальных направлений является создание деталей из недорогой основы с применением упрочняющей технологии поверхностного слоя. Существует целый ряд технологий, направленных на упрочнение поверхности детали, а именно: химико-термическая обработка, напыление, наплавка и т. д.

Большой интерес представляют комбинированные обработки, обеспечивающие повышение твердости и прочности поверхностного слоя [2]. Все существующие технологии можно разделить на следующие группы: нанесение покрытий; диффузионные покрытия; упрочнение поверхностного слоя за счет изменения структуры.

Распространенным видом упрочнения поверхности стали является азотирование, однако это довольно длительный и дорогостоящий процесс. В настоящее время большой интерес представляют технологии интенсификации процессов азотирования, обеспечивающие значительное сокращение времени насыщения сталей азотом.

Разработка новых ресурсосберегающих и экономически целесообразных технологий комбинированного упрочнения стальных деталей со значительным сокращением длительности обработки является важной и актуальной задачей.

Анализ литературных данных

Анализ вопроса повышения срока службы деталей машин показывает, что достаточно эффективными способами поверхностного упрочнения сталей являются азотирование и лазерное упрочнение поверхности.

Лазерная обработка в сравнении с традиционными методами термической обработки материалов имеет целый ряд преимуществ [3]. При традиционной термической обработке необходим последующий отпуск, что снимает внутренние напряжения, однако наряду с этим снижает твердость обработанного слоя. При этом твердость составляет, как правило, 48-52 НЯС. Лазерная же обработка не требует дополнительных операций отпуска. При этом твердость упрочненной лазерным лучом зоны поверхности составляет более 58-62 НЯС [4]. Такая твердость закаленного слоя достигается за счет мартенситного превращения, оптимального сочетания насыщенности твердых растворов углеродом и легирующими элементами с их неоднородностью, повышения плотности дефектов кристаллического строения [5]. Наибольший интерес лазерной обработки стали для дальнейшего ускорения процесса азотирования представляет значительное измельчения зерна, что приводит к ускорению процессов диффузии азота вглубь металла.

Существует множество технологий азотирования, но наибольший интерес представляют инновационные технологии, обеспечивающие необходимую глубину диффузионного слоя за короткий промежуток времени процесса насыщения [6-10].

Известные комбинированные технологии лазерной обработки и азотирования, такие как "Способ низкотемпературного азотирования стальных деталей" (Патент КП 2415964), "Способ получения износостойких дискретных азотированных слоев" (Патент ИА 25412), "Способ комбинированной лазерно-химико-термической обработки материалов" (Патент ИА 19551) имеют ряд не решенных вопросов, а именно не обеспечивают достаточную глубину упрочненного слоя или поверхностную твердость, являются сложными в использовании, трудоемкими, энергозатратными, и длительными процессами (до 20 часов). Поэтому актуальным является создание инновационной технологии скоростного азотирования.

Цель работы

Целью данной работы является разработка скоростной технологии упрочнения деталей для обеспечения высоких эксплуатационных свойств поверхностного слоя стали.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

интенсифицировать процесс азотирования за счет предварительной лазерной обработки поверхности стальных изделий;

изучить влияние предварительной лазерной обработки стали на изменение глубины упрочненного слоя;

изучить влияние предварительной лазерной обработки стали на изменения значений поверхностной твердости.

Материал и методика исследования

Материалом для исследования является конструкционная легированная сталь 38Х2МЮА.

Лазерную обработку стали осуществляли на установке «ЛАТУС-31», согласно следующих режимов: мощность излучения - 1,0+0,1 кВт, диаметр участка фокусировки луча - 5 мм, скорость перемещения лазерного луча - 0,5-1,5 м/мин.

Азотирование проводили в среде мелкодисперсного азотосодержащего вещества с активаторами при температуре 530-560 °С в течение 2-3 часов. Процесс азотирования проходил в закрытой атмосфере в виде герметичного контейнера в камерной печи без сложного специального оборудования, без применения защитных атмосфер.

Было исследовано влияние предварительной лазерной обработки и конечного азотирования на структуру, толщину, фазовый состав, микротвердость поверхностных слоев образцов стали 38Х2МЮА методами металлографического анализа с использованием металлографического микроскопа МИМ-7 с цифровой приставкой, ДРОН-3, ПМТ-3.

Обсуждение результатов

Поставленная задача интенсификации процесса азотирования решалась тем, что проводили предварительную лазерную обработку поверхности стальных изделий с мощностью лазерного излучения 1,0+0,1 кВт, скоростью передвижения лазерного луча 0,5-1,5 м/мин и последующим азотированием при температуре 530-560 °С в течение 2-3 часов. При этом температура поверхностного слоя при лазерной обработки для стали должна превышать Асз (температуру конца превращения феррита в аустенит), но не быть выше температуры плавления. Процесс азотирования проводили в закрытой атмосфере в виде герметичного контейнера в камерной печи без сложного специального оборудования, без применения защитных атмосфер и без применения такого вредного для здоровья газа, как аммиака.

Установлено, что предварительная лазерная обработка не меняет геометрические размеры изделия и качество его поверхности.

Интенсификация процесса химико-термической обработки достигается увеличением дефектности кристаллического строения материала.

Анализ полученных результатов показал, что интенсификация процесса азотирования лазерной обработкой поверхности стали позволяет получить азотированный слой большей толщины (до 0,65 мм) и большей микротвердости (до 12,5 ГПа) по сравнению с чисто азотированными участками (без предварительной лазерной обработки), на которых толщина диффузионного слоя не превышала 0,2 мм, а микротвердость - 10,8 ГПа (рис. 1 и 2 соответственно).

Скорость передвижения лазерного луча, м мин

Рис. 1. Влияние предварительной лазерной обработки стали на толщину упрочненного слоя в сравнении с толщиной азотированного слоя, полученного после азотирования без лазерной обработки (первый столбец голубого цвета)

0.5 0.75 1 1.25 1.5

Скорость передвижения зазерного туча, м мин

Рис. 2. Влияние предварительной лазерной обработки на поверхностную микротвердость стали 38Х2МЮА в сравнении с поверхностной микротвердостью стали азотированной безлазерной обработки (первый столбец голубого цвета)

Это объясняется облегчением диффузии атомов азота и повышением его растворимости, вследствие образования более дефектной структуры металла после лазерного облучения (повышение плотности дислокаций, дробления зерен и увеличение протяженности их границ, получения ультрадисперсных разориентированных зерен).

Установлено, что на формирование упрочненного слоя и поверхностную твердость оказывает значительное влияние скорость передвижения лазерного луча, что позволяет варьировать и контролировать получаемые выходные данные. Получены закономерности толщины упрочненного слоя в зависимости от изменения скорости передвижения лазерного луча для поверхностных слоев стали 38Х2МЮА, обработанных только лазером и комбинированной технологией упрочнения (обработка лазером и последующее азотирование). Увеличение скорости передвижения лазерного луча способствует уменьшения толщины упрочненного слоя (рис. 3).

Рис. 3. Закономерности изменения толщины упрочненного слоя в зависимости от скорости передвижения лазерного луча для поверхностных слоев стали 38Х2МЮА обработанных только лазером и комбинированной технологией упрочнения (обработка лазером и последующее азотирование)

Из полученных зависимостей видно, что азотирование после лазерной обработки увеличивает толщину упрочненного слоя в 1,05-1,59 раза, что оказывает положительное влияние на эксплуатационные свойства детали.

Рис. 4. Закономерность изменения поверхностной микротвердости стали 38Х2МЮА в зависимости от скорости передвижения лазерного луча

Исследования поверхностной микротвердости показали, что она также, как и толщина упрочненного слоя, зависит от скорости передвижения лазерного луча. Из полученной зависимости (рис. 4) видно, что с увеличением скорости передвижения лазерного луча поверхностная микротвердость стали 38Х2МЮА резко снижается до значения скорости 1,25 м/мин, а затем меняется незначительно. Увеличение скорости передвижения лазерного луча от 0,5 до 1,5 м/мин понижает поверхностную микротвердость исследованной стали в 0,88 раза.

Рентгеноструктурный фазовый анализ исследуемой стали в поверхностном слое выявил наличие нитридов ^-Fe2N, e-Fe3N-Fe2N, y'-Fe4N, Fe3N и a-Fe.

Интенсифицирован процесс азотирования за счет предварительной лазерной обработки поверхности стальных изделий.

Изучено влияние предварительной лазерной обработки стали на изменение глубины упрочненного слоя. Получены закономерности толщины упрочненного слоя в зависимости от изменения скорости передвижения лазерного луча для поверхностных слоев стали 38Х2МЮА, обработанных только лазером и комбинированной технологией упрочнения.

Изучено влияние предварительной лазерной обработки стали на изменения значений поверхностной твердости. Установлено, что увеличение скорости передвижения лазерного луча резко снижает поверхностную твердость стали.

Список литературы

сталь азотирование лазерный упрочение

1. Hahn, D.W. Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS), part II: review of instrumental and methodological approaches to material analysis and applications to different fields l D. W. Hahn, N. Omenetto ll Applied spectroscopy. - 2012. - V. 66. - №. 4. - P. 347-419. - doi: 10.1366/11- 06574.

2. Shimizu, M. Mechanism of heat-modification inside a glass after irradiation with high-repetition rate femtosecond laser pulses / M. Shimizu, M. Sakakura, M. Ohnishi, Y. Shimotsuma, T. Nakaya, K. Miura, K. Hirao 11 .Journal of Applied Physics. - 2010. - V. 108. -№. 7. -P. 073533. - doi: 10.1063/1.3483238.

3. Lobankova, О.V. Influence of laser radiation on structure and properties of steel l О.V. Lobankova, I.Y. Zykov, A.G. Melnikov, S.B. Turanov 11 Advanced Materials, Structures and Mechanical Engineering: Proceedings of the international Conference on Advanced Materials, Structures and Mechanical Engineering, Incheon, South Korea, May 2931,2015. - CRC Press. -2016. - 75 p.

4. Kenar, H. Femtosecond laser treatment of 316L improves its surface nanoroughness and carbon content and promotes osseointegration: An in vitro evaluation l H. Kenar, E. Akman, E. Kacar, A. Demir, H. Park, H. Abdul-Khaliq, E. Karaoz II Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. -2013. -V. 108.-P. 305-312.-doi:10.1016/j.colsurfb.2013.02.039.

5. Okamuro, K. Laser fluence dependence of periodic grating structures formed on metal surfaces under femtosecond laser pulse irradiation l K. Okamuro, M. Hashida, Y. Miyasaka, Y. Ikuta, S. Tokita, S. Sakabe II Physical Review B. - 2010. - V. 82. - № 16. - P. 165-417. - doi: 10.1103/PhysRevB.82.165417.

6. Mahmoudi, B. Laser surface hardening of AISI420 stainless steel treated by pulsed Nd: YAG laser / B. Mahmoudi, M.J. Torkamany, A.S.R. Aghdam, J. Sabbaghzade // Materials & Design. - 2010. - V. 31. - № 5. - P. 2553-2560. - doi:10.1016/j.matdes.2009.11.034.

7. Yang, J. Experimental investigation and 3D finite element prediction of the heat affected zone during laser assisted machining of Ti6A14V alloy / J. Yang, S. Sun, M. Brandt, W. Yan // Journal of Materials Processing Technology. - 2010. - V. 210. - №. 15. - P. 2215-2222. - doi:10.1016/j.jmatprotec.2010.08.007.

8. Idan, A.F.I. The study of the influence of laser hardening conditions on the change in properties of steels l A.F.I. Idan, O. Akimov, L. Golovko, O. Goncharuk, K. Kostyk ll Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. - 2016. -V. 2. -№ 5 (80). -P. 69-73. - doi: 10.15587/1729-4061.2016.65455.

9. Assun^ao, E. Comparative study of laser welding in tailor blanks for the automotive industry l E. Assun^ao, L. Quintino, R. Miranda ll The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. - 2010. - V. 49. - № 1-4.-P. 123-131.-doi: 10.1007/s00170-009-2385-0.

10. Mohanad, M.K. Modeling of the case depth and surface hardness of steel during ion nitriding l M.K. Mohanad, V. Kostyk, D. Domin, K. Kostyk 11 Eastern-European .Journal of Enterprise Technologies. - 2016. - V. 2. - №. 5 (80). - P. 45-49.-doi: 10.15587/1729-4061.2016.65454.

Размещено на Allbest.ru