ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ
Лазерное легирование сталей
В.П. Бирюков,
кан д . техн.
н а ук, У ч р е ж д е н и е Р о сси й ско й а ка д е м и и н а ук И нститут м а ш и н о в е д е н и я
им . А .А .
Б л а го н р а в о в а (М о с кв а )
Лазерное легирование чаще всего проводят путем нанесения
на
поверхность
детали
обмазки,
содержащей легирующие
элементы с последующим оплавлением поверхностных слоев.
Кроме
того,
при
лазерном
легировании
предварительно
нанесенные на подложку электролитические покрытия или
металлические
пленки,
полученные
высокоскоростным
на-
пылением, обрабатывают вакуумно-плазменным и другими
методами.
5(81)2011 СВАРЩИК
т
Анализ известных данных не дает одно-
значного определения
результатов легиро-
вания: толщины легированного слоя и кон-
центрации
легирующего
элемента.
На
об-
разцы из стали У10 наносили слой толщи-
ной
100-300 мкм,
представляющий
собой
50%
смесь
порошка
хрома
со
связующим
веществом,
выгорающим
при
температуре
около
400°С
(оксиметилцеллюлозой).
Об-
лучение
проводили
непрерывным
С 02-ла-
зером при плотности мощности 2-7 Вт/см2,
что
обеспечивало
получение
равномерно
оплавленного
слоя
толщиной
до
1 мм
с
небольшим
искажением
поверхности
[1].
Легирование хромом до 6-7 мае. % приво-
дит
к
образованию
мартенситно-аустенит-
ной
структуры,
содержащей
по
рентгенов-
ским данным до 15% остаточного аустенита
с
микротвердостью
ЮГПа.
Дальнейшее
увеличение содержания
хрома
приводит
к
увеличению содержания
карбидов
и а-фа-
зы. Замечены две особенности в структуре
легированного слоя:
практически одинако-
вая
концентрация
хрома
в
одновременно
присутствующих
фазах
(а-фаза,
аустенит,
карбид);
при всех исследованных концент-
рациях хрома в легированном слое (до 40%)
первым кристаллизуется аустенит.
С целью определения оптимального со-
четания
прочностных
и
пластических
ха-
рактеристик
поверхностного
слоя
стали
40ХН проводили ее лазерное легирование.
Количество
остаточного
аустенита
в леги-
рованной стали зависит не только от режи-
ма лазерной обработки, но и от типа легиру-
ющего элемента. В случае легирования ста-
ли
40ХН
кобальтом
остаточный
аустенит
либо не обнаруживается, либо его количест-
во не превышает 10%. При легировании же
никелем количество остаточного аустенита
34
может
превышать
количество
мартенсита
[2].
Легирование кобальтом
вызывает зна-
чительное
повышение
микротвердости
1,5 раза) по сравнению с закаленной сталью,
что обусловлено измельчением структуры и
появлением карбидов.
Количество
поглощенной
материалом
энергии
определяется
оптическими
и
теп-
лофизическими
свойствами
поверхности
основного материала и толщиной обмазки.
При лазерном легировании энергия излуче-
ния
оптического
квантового
генератора
(ОКГ) частично поглощается поверхностью
ЕП
,
теряется в результате отражения от об-
мазки
Еп о
и
поглощается
обмазкой,
вклю-
чая энергию, не дошедшую до обрабатывае-
мого материала
Е0
бм [3]:
Е -Е„ + Е„п + Е
II
П .0
Ч ) б \ Г
Сумма
Еп +
£обм представляет собой «по-
лезную»
часть
энергии
излучения
лазера,
которая
принимает
участие
в
формирова-
нии зоны легирования.
Процесс лазерного легирования состоит
из следующих этапов:
нагрева легирующего
состава до дости-
жения в зоне контакта с основой темпе-
ратуры плавления материала;
образования жидкой фазы
и перемеши-
вания фаз в зоне ванны расплава;
кристаллизации жидкой фазы.
При
достижении
на
границе
«покры-
тие —
подслой» температуры плавления об-
разуется
жидкая
фаза,
и
процесс
насыще-
ния поверхностного слоя легирующим эле-
ментом
интенсифицируется.
На
первом
этапе легирование происходит по механиз-
му диффузии в жидкой фазе, на втором эта-
пе другой механизм легирования —
конвек-
тивное
перемешивание
фаз.
Установлено,
что массоперенос в ванне расплава происхо-
дит потоками от центра лазерного пятна к
ее краям за счет градиента сил поверхност-
ного натяжения, обусловленного разностью
температур в центре и по краям ванны рас-
плава. При этом скорость движения поверх-
ностных
потоков
может
достигать
3 м/с.
Движение внутренних потоков происходит
за счет сил
вязкого трения со скоростями,
предыдущая страница 37 Сварщик 2011 05 читать онлайн следующая страница 39 Сварщик 2011 05 читать онлайн Домой Выключить/включить текст