eng
Выпуск #4/2008
А.Чирков.
Лазерно-плазменное наноструктурирование поверхностных слоев сталей при атмосферных условиях
Лазерно-плазменное наноструктурирование поверхностных слоев сталей при атмосферных условиях
Просмотры: 3120
Известно, что разрушение и износ многих деталей машин и инструмента начинается с поверхности, поэтому придание поверхностному слою высоких прочностных свойств – необходимое условие увеличения ресурса работы деталей машин и стойкости инструмента [1]. Использование лазерно-плазменного наноструктурирования позволяет достичь здесь наилучших результатов.
Классические технологии локального термического упрочнения поверхности сталей и сплавов: светолучевые, плазменные, ТВЧ, лазерные, импульсные электродуговые и другие позволяют повысить ресурс работы режущего инструмента в 1,5–3,0 раза [2]. Эти методы сегодня практически исчерпали свои возможности по увеличению эффективности упрочнения и не позволяют кардинально повысить износостойкость.
Одна из современных тенденций в поверхностном упрочнении сталей и сплавов – разработка гибридных лазерных технологий локальной термической обработки: лазерно-дуговых, лазерно-плазменных, лазерно-индукционных, лазерно-электроискровых, которые имеют более высокую технико-экономическую эффективность по сравнению с классическими методами локального термического упрочнения и значительно расширяют технологические возможности классических методов локального упрочнения. Однако и они не позволяют достичь кардинального (n-кратного) повышения стойкости режущего инструмента.
Исследования последних лет показали, что наноструктурные поверхностные материалы с размером зерен менее 100 нм обладают улучшенными физико-механическими свойствами. Наноразмерные кристаллические зерна имеют не только высокую термическую стабильность, но и придают покрытиям сверхвысокую прочность и ударную вязкость [3].
Структура и дисперсность, а следовательно, и физико-механические свойства наноматериалов зависят от способа их получения. Основные из этих способов в настоящее время достаточно хорошо известны. Это – газофазный синтез, плазмохимический синтез, осаждение из коллоидных растворов, термическое разложение и восстановление, механосинтез, детонационный синтез и электровзрыв. К плазмохимическому синтезу достаточно близко примыкает газовый синтез с использованием лазерного нагрева реагирующей газовой среды [4].
Прикладной интерес к созданию поверхностных слоев из наноструктурных материалов связан с повышением требований к поверхности сталей и сплавов по износостойкости. В ряде случаев экономически нецелесообразно изготавливать деталь из нанопорошков или наносить наноструктурный поверхностный слой с помощью термического напыления. Эффективнее формировать при нормальных атмосферных условиях нанокристаллический поверхностный слой непосредственно из того конструкционного материала, из которого изготовлена деталь, минуя промежуточные технологические стадии получения нанопорошков и изготовления из них деталей и инструментов.
Общие принципы формирования мелкозернистой структуры в сталях заключаются в высокоскоростном нагреве и охлаждении поверхностных слоев. Скорость охлаждения при этом должна значительно превышать критическую скорость закалки на мартенсит. Это условие является необходимым, но не достаточным для формирования в сталях поверхностных нанослоев.
Из известных концентрированных локальных поверхностных источников энергии только лазерное излучение обеспечивает наивысшую скорость нагрева и охлаждения. Но при обработке поверхности металлических материалов оно имеет существенный недостаток – высокий коэффициент отражения. Поэтому такая обработка должна производиться с использованием лазерно-плазменной технологии [5].
Как известно, лазерно-плазменная технология имеет ряд преимуществ по сравнению с лазерной обработкой. Лазерная плазма не только повышает коэффициент поглощения лазерного излучения, но и выполняет другую важную функцию: высокоскоростную модификацию жидкой фазы расплава.
Для исследования возможности повышения износостойкости путем формирования лазерно-плазменным методом на режущей поверхности инструмента наноструктурных поверхностных слоев была выбрана быстрорежущая сталь А11Р3М3Ф2, что объяснялось рядом причин:
* эта марка быстрорежущей стали имеет самую низкую стоимость;
* инструмент, изготовленный из нее, обладает наименьшей стойкостью по сравнению с другими марками быстрорежущих сталей, что делает актуальным решение задачи повышения стойкости инструмента, изготовленного из этой марки стали.
Проведенные исследования по использованию лазерно-плазменной обработки для упрочнения отрезных и прорезных фрез (рис.1) позволили получить увеличение их стойкости до 10 раз (традиционные методы повышают стойкость инструмента не более чем в 1,5–3,0 раза). Столь высокое повышение стойкости, безусловно, представляет значительный научный и практический интерес для изучения, так как не может быть объяснено только эффектом быстрой автозакалки.
Проведенные металлографические исследования упрочненного поверхностного слоя на универсальном оптическом микроскопе NU–2E Karl Zeiss с видеовыходом и программой анализа изображений Image Expert Pro 2.0 (Германия) показали, что была достигнута толщина упрочненного слоя в 30 мкм (рис.2). При этом твердость основы быстрорежущей стали А11Р3М3Ф2 составила 8000 МПа, а твердость упрочненного слоя – 12000 МПа.
Лазерно-плазменное упрочнение проводилось в углеродосодержащей плазме. Аномально высокое повышение стойкости отрезных фрез после лазерно-плазменной обработки позволило сделать предположение, что кроме упрочнения в режиме автозакалки поверхностного слоя произошло изменение химического состава и структурно-фазового состояния поверхностного слоя толщиной несколько микрон, который нельзя проанализировать с помощью оптического микроскопа.
Исследования 3D-топографии структуры поверхностного слоя, проведенные на атомно-силовом микроскопе модели Solver PRO-M компанией NT-MDT (РФ), показали наличие в этом слое наноструктур различной дисперсности (рис.3).
Различие в дисперсности (рис.2а,б) объясняется, по-видимому, различным энергетическим лазерно-плазменным воздействием на упрочняемую поверхность.
Химический состав поверхностного слоя стали А11Р3М3Ф2 после лазерно-плазменной обработки исследовался также на эмиссионном спектроанализаторе модели "Spectruma GDA750" (Германия), точность измерения – 0,005%. Спектральный анализ образцов инструментальной стали А11Р3М3Ф2, проведенный на спектроанализаторе, подтвердил их соответствие химсоставу стали А11Р3М3Ф2.
На рис.4а,б показано изменение содержания углерода в поверхностном слое быстрорежущей стали до и после лазерно-плазменной обработки в углеродосодержащей плазме. Исходное содержание углерода в стали А11Р3М3Ф2 составляет 1,096%.
Наибольшее содержание углерода в поверхностном слое соответствует глубине 0,167 мкм и после лазерно-плазменной обработки составляет 4,567%. Такое большое содержание углерода можно объяснить диффузией углерода из приповерхностной лазерной плазмы в обрабатываемую поверхность.
Итак, можно сделать следующие выводы:
1. Лазерно-плазменная обработка позволяет сформировать в поверхностном слое инструментальной стали А11Р3М3Ф2 наноструктурные слои.
2. Создание на поверхности инструментальной стали А11Р3М3Ф2 наноструктур позволяет значительно повысить стойкость обрезных и прорезных фрез.
Литература:
1. Гаркунов Д.Н. Триботехника – М.: Машиностроение, 1985. – 424с.
2. Полевой С.Н., Евдокимов В.Д. Упрочнение машиностроительных материалов. – М.: Машиностроение, 1994. – 496с.
3. Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Под ред. М.К.Роко, Р.С.Уильямса, П. Аливисатоса. Пер. с анг. – М.: Мир, 2002. – 292с.
4. Гусев А.И., Ремпель А.А. Нанокристаллические материалы. – М.: Физматлит, 2001. – 224с.
5. Забелин А.М., Оришич А.М., Чирков А.М. Лазерные технологии машиностроения: Уч. пособие – Новосибирск: НГУ, 2004. – 142с.
Одна из современных тенденций в поверхностном упрочнении сталей и сплавов – разработка гибридных лазерных технологий локальной термической обработки: лазерно-дуговых, лазерно-плазменных, лазерно-индукционных, лазерно-электроискровых, которые имеют более высокую технико-экономическую эффективность по сравнению с классическими методами локального термического упрочнения и значительно расширяют технологические возможности классических методов локального упрочнения. Однако и они не позволяют достичь кардинального (n-кратного) повышения стойкости режущего инструмента.
Исследования последних лет показали, что наноструктурные поверхностные материалы с размером зерен менее 100 нм обладают улучшенными физико-механическими свойствами. Наноразмерные кристаллические зерна имеют не только высокую термическую стабильность, но и придают покрытиям сверхвысокую прочность и ударную вязкость [3].
Структура и дисперсность, а следовательно, и физико-механические свойства наноматериалов зависят от способа их получения. Основные из этих способов в настоящее время достаточно хорошо известны. Это – газофазный синтез, плазмохимический синтез, осаждение из коллоидных растворов, термическое разложение и восстановление, механосинтез, детонационный синтез и электровзрыв. К плазмохимическому синтезу достаточно близко примыкает газовый синтез с использованием лазерного нагрева реагирующей газовой среды [4].
Прикладной интерес к созданию поверхностных слоев из наноструктурных материалов связан с повышением требований к поверхности сталей и сплавов по износостойкости. В ряде случаев экономически нецелесообразно изготавливать деталь из нанопорошков или наносить наноструктурный поверхностный слой с помощью термического напыления. Эффективнее формировать при нормальных атмосферных условиях нанокристаллический поверхностный слой непосредственно из того конструкционного материала, из которого изготовлена деталь, минуя промежуточные технологические стадии получения нанопорошков и изготовления из них деталей и инструментов.
Общие принципы формирования мелкозернистой структуры в сталях заключаются в высокоскоростном нагреве и охлаждении поверхностных слоев. Скорость охлаждения при этом должна значительно превышать критическую скорость закалки на мартенсит. Это условие является необходимым, но не достаточным для формирования в сталях поверхностных нанослоев.
Из известных концентрированных локальных поверхностных источников энергии только лазерное излучение обеспечивает наивысшую скорость нагрева и охлаждения. Но при обработке поверхности металлических материалов оно имеет существенный недостаток – высокий коэффициент отражения. Поэтому такая обработка должна производиться с использованием лазерно-плазменной технологии [5].
Как известно, лазерно-плазменная технология имеет ряд преимуществ по сравнению с лазерной обработкой. Лазерная плазма не только повышает коэффициент поглощения лазерного излучения, но и выполняет другую важную функцию: высокоскоростную модификацию жидкой фазы расплава.
Для исследования возможности повышения износостойкости путем формирования лазерно-плазменным методом на режущей поверхности инструмента наноструктурных поверхностных слоев была выбрана быстрорежущая сталь А11Р3М3Ф2, что объяснялось рядом причин:
* эта марка быстрорежущей стали имеет самую низкую стоимость;
* инструмент, изготовленный из нее, обладает наименьшей стойкостью по сравнению с другими марками быстрорежущих сталей, что делает актуальным решение задачи повышения стойкости инструмента, изготовленного из этой марки стали.
Проведенные исследования по использованию лазерно-плазменной обработки для упрочнения отрезных и прорезных фрез (рис.1) позволили получить увеличение их стойкости до 10 раз (традиционные методы повышают стойкость инструмента не более чем в 1,5–3,0 раза). Столь высокое повышение стойкости, безусловно, представляет значительный научный и практический интерес для изучения, так как не может быть объяснено только эффектом быстрой автозакалки.
Проведенные металлографические исследования упрочненного поверхностного слоя на универсальном оптическом микроскопе NU–2E Karl Zeiss с видеовыходом и программой анализа изображений Image Expert Pro 2.0 (Германия) показали, что была достигнута толщина упрочненного слоя в 30 мкм (рис.2). При этом твердость основы быстрорежущей стали А11Р3М3Ф2 составила 8000 МПа, а твердость упрочненного слоя – 12000 МПа.
Лазерно-плазменное упрочнение проводилось в углеродосодержащей плазме. Аномально высокое повышение стойкости отрезных фрез после лазерно-плазменной обработки позволило сделать предположение, что кроме упрочнения в режиме автозакалки поверхностного слоя произошло изменение химического состава и структурно-фазового состояния поверхностного слоя толщиной несколько микрон, который нельзя проанализировать с помощью оптического микроскопа.
Исследования 3D-топографии структуры поверхностного слоя, проведенные на атомно-силовом микроскопе модели Solver PRO-M компанией NT-MDT (РФ), показали наличие в этом слое наноструктур различной дисперсности (рис.3).
Различие в дисперсности (рис.2а,б) объясняется, по-видимому, различным энергетическим лазерно-плазменным воздействием на упрочняемую поверхность.
Химический состав поверхностного слоя стали А11Р3М3Ф2 после лазерно-плазменной обработки исследовался также на эмиссионном спектроанализаторе модели "Spectruma GDA750" (Германия), точность измерения – 0,005%. Спектральный анализ образцов инструментальной стали А11Р3М3Ф2, проведенный на спектроанализаторе, подтвердил их соответствие химсоставу стали А11Р3М3Ф2.
На рис.4а,б показано изменение содержания углерода в поверхностном слое быстрорежущей стали до и после лазерно-плазменной обработки в углеродосодержащей плазме. Исходное содержание углерода в стали А11Р3М3Ф2 составляет 1,096%.
Наибольшее содержание углерода в поверхностном слое соответствует глубине 0,167 мкм и после лазерно-плазменной обработки составляет 4,567%. Такое большое содержание углерода можно объяснить диффузией углерода из приповерхностной лазерной плазмы в обрабатываемую поверхность.
Итак, можно сделать следующие выводы:
1. Лазерно-плазменная обработка позволяет сформировать в поверхностном слое инструментальной стали А11Р3М3Ф2 наноструктурные слои.
2. Создание на поверхности инструментальной стали А11Р3М3Ф2 наноструктур позволяет значительно повысить стойкость обрезных и прорезных фрез.
Литература:
1. Гаркунов Д.Н. Триботехника – М.: Машиностроение, 1985. – 424с.
2. Полевой С.Н., Евдокимов В.Д. Упрочнение машиностроительных материалов. – М.: Машиностроение, 1994. – 496с.
3. Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Под ред. М.К.Роко, Р.С.Уильямса, П. Аливисатоса. Пер. с анг. – М.: Мир, 2002. – 292с.
4. Гусев А.И., Ремпель А.А. Нанокристаллические материалы. – М.: Физматлит, 2001. – 224с.
5. Забелин А.М., Оришич А.М., Чирков А.М. Лазерные технологии машиностроения: Уч. пособие – Новосибирск: НГУ, 2004. – 142с.
Отзывы читателей
