Порошковое материаловедение. Часть 2

ра коллоидного графита показали, что на поверхности образуется беспористая белая плохо

травящаяся (в 4%-ном растворе НNО3 в этиловом спирте) зона мартенсита (рис. 140). Установлено, что количество углерода в мартенсите достигает 0,8 %. При этом РФА показал наличие в поверхностном слое фаз у-Fе, FеС, Fе2С, FеО, Fе2О. Пересыщение мартенсита углеродом, а также наличие аустенита и карбидов свидетельствует о протекании процессов легирования в ЗО. Структура ЗТВ характеризуется наличием мартенсита закалки, троостомартенсита, троостита и феррита. Аналогичными особенностями отличается поверхность стали, обработанная излучением, с легирующим покрытием из каменноугольного лака. Однако в мартенсите ЗО, имеющей пористость 5–7 %, зафиксировано до 1,5 % углерода и некоторое увеличение глубины ЗТВ.

371

ELIB.PSTU.RU

массопереноса в жидкой фазе. Установленное повышение микротвердости лазерно модифицированной поверхности порошковой стали вызвано, по-видимому, лучшим тепловым контактом и более высокой термостойкостью лака в сравнении с графитовым покрытием. Кроме того, ввиду жидкотекучести лака наблюдается инфильтрация материала покрытия в поверхностные слои порошковой стали, что активирует процесс насыщения углеродом как материала ЗО, так и припоровых областей ЗТВ.

Таким образом, наряду с известным механизмом термокапиллярной конвекции в расплаве и взаимодействием с продуктами эрозии (плазма углеродсодержащих продуктов)

впорошковой стали наблюдается более интенсивная диффузия в твердой фазе за счет относительно глубокого проникновения материала покрытия в приповерхностные поры основы.

Наиболее полно установленный механизм реализуется

вусловиях предварительной пропитки порошковой стали жидкостью, содержащей легирующие элементы. Согласно полученным данным, структура ЗО в случае пропитки маслом характеризуется наличием мелкодисперсного мартенсита, содержащего до 1,5 % углерода, аустенита и мелкодис-

персных карбидов. ЗТВ состоит из мартенсита закалки и мелкодисперсных продуктов его распада.

Равномерное распределение легирующей жидкости в поровом пространстве внутреннего объема стали повышает контактную устойчивость соединения «легирующий элемент – матрица», что обусловливает значительное (в 2– 2,5 раза) поверхностное упрочнение порошковой стали в ходе ЛХТМ. По-видимому, превалирующий характер диффузионного насыщения объясняется развитой поверхностью порового пространства, активно взаимодействующего с углеродсодержащей средой по всему объему зоны закалки из твердой фазы при соответствующем данному процессу

373

ELIB.PSTU.RU

структурообразования распределений температур. Установлено, что увеличение времени пропитки с 24 до 192 ч существенно не повышает степень упрочнения стали, однако при увеличении продолжительности пропитки возрастает пористость ЗО (см. рис. 140).

Необходимо указать, что пропитка тетрахлоруглеродом незначительно повлияла на превращения и свойства сталей. Установленный эффект свидетельствует о пренебрежимо малом насыщении модифицируемого объема стали углеродом в этих условиях, что связано с малой его концентрацией в жидкости и значительным испарением в ходе ЛХТМ. Данные по влиянию ЛХТМ на износостойкость порошковых материалов представлены в табл. 70. Установлено, что наилучшей износостойкостью обладает сталь при ЛХТМ с предварительной пропиткой в масле. Износостойкость стали, предварительно пропитанной в тетрахлоруглероде, не превышает износостойкости стали после ЛТМ без цементации. Полученные данные по износостойкости коррелируют со значениями микротвердости поверхности материалов (модуль коэффициента корреляции 0,928).

374

ELIB.PSTU.RU

Проведенные исследования и полученные результаты положены в основу разработанного способа поверхностного легирования спеченных проницаемых сталей [15], включающего в себя насыщение зоны оплавления легирующими элементами из жидкости в процессе лазерного облучения, отличающегося тем, что в целях повышения износостойкости перед лазерным облучением осуществляют пропитку стали жидкостью с легирующими элементами на органической основе.

Согласно предложенному способу, проницаемый спеченный материал пропитывается легирующей жидкостью на органической основе на глубину зоны термического воздействия лазерного излучения и подвергается лазерной обработке. Наличие сообщающихся пор в исходном материале позволяет реализовать несколько благоприятных для процесса насыщения легирующими элементами эффектов. Легирующая среда однородно распределяется по внутреннему объему необходимой зоны (достаточна пропитка на глубину оплавляемого лазером слоя), что повышает контактную устойчивость соединения «легирующий элемент – материал матрицы». Массоперенос атомов легирующего элемента (углерода) осуществляется по механизму термокапиллярной конвекции по объему всей ванны расплава, что гораздо эффективнее гидролучевой имплантации термоионизированных компонентов легирующей жидкости в поверхность материала [16]. При этом более низкая теплопроводность заполненных инфильтратом пор сдерживает распространение теплового фронта, локализуя его на необходимом участке что позволяет использовать меньше энергии лазерного излучения.

Таким образом, данный способ отличается от известного тем, что насыщение стали легирующими элементами происходит не только с внешней поверхности контакта материала с жидкостью, но и из порового пространства, заполненного легирующей жидкостью.

375

ELIB.PSTU.RU

Разработанный способ основывается на использовании неотъемлемого качества структуры порошковых материалов – пористости – для интенсификации ЛХТМ. В этом проявляется одно из положительных свойств структурной неоднородности материалов при их модифицировании.

Реализованный выше подход актуален при разработке процессов лазерного газофазного легирования порошковых материалов. В целях изучения процессов фазо- и структурообразования, выбора и обоснования схем и методов ЛХТМ из газовой фазы проведено исследование лазерного газофазного цементирования стали СП90 с различной пористостью на лазерном комплексе ЛТ1-2М при плотностях потока энергии (1,6; 3,2)108 Вт/м2 и скорости транспортировки образцов 0,4·10–2 м/с. Легирующим газом служила углекислота (расход 5·10–2 л/с), подаваемая через насадок с дистанции 20 см до обрабатываемой поверхности [17].

В целях оптимизации насыщения образующегося в ходе ЛХТМ расплава продуктами эрозии (плазмы) и легирующим газом реализована возможность влияния на интенсивность плазмообразования вариации давления газа в области облучения [18]. При этом использована важнейшая характеристика порошковых сталей (порог газопроницаемости), определяющая интенсивность газотранспортных реакций при хими- ко-термической обработке, а также формирование структуры и свойств азотированных порошковых сталей. Известно, что порог газопроницаемости порошковых углеродистых и легированных сталей определяется средней пористостью материала, его химическим составом, структурой и наследственностью, может меняться в ходе химико-термической обработки ввиду протекания процессов диссоциации и восстановления и составляет 5–15 % доли открытых пор к общей пористости материала [19–21]. На основании этого созданы специальные устройства, позволяющие осуществлять инфильтрацию газовой среды из активной области плазмообра-

376

ELIB.PSTU.RU

зования через внутриобъемное открытое поровое пространство порошковой стали при различном давлении [14, 22].

Устройство – изостатический резервуар 3 (рис. 141) – является элементом установки для лазерной обработки, включающей в себя также источник лазерного излучения (лазер на рисунке не указан) и газовую магистраль 4. Обрабатываемый материал 7 устанавливают в паз 6 резервуара 3

Рис. 141. Установка для лазерной обработки: 1 – лазерное излучение; 2 – фокусирующая система; 3 – изостатический резервуар; 4 – газовая магистраль; 5 – выпускной клапан; 6 – паз резервуара; 7 – обрабатываемый материал; 8 – прокладка; 9 – прижимной крепеж; 10 – винт крепежа

377

ELIB.PSTU.RU

и закрепляют. Газ через поры материала попадает на обрабатываемую поверхность, а выпускной клапан поддерживает давление постоянным, что обеспечивает однородность свойств обрабатываемой поверхности. Таким образом, в экспериментах по лазерному газофазному цементированию использована разработанная установка, отличающаяся тем, что для повышения качества обработки путем получения однородных свойств материала устройство подачи газа выполнено в виде изостатического газового резервуара с патрубком подвода газа и выпускаемым регулировочным клапаном. Устройство закрепления детали размещено на стенках резервуара со стороны источника лазерного излучения, при этом на внутренней поверхности боковых стенок выполнен паз для размещения в нем детали [14].

Следует отметить, что один из недостатков предложенной установки состоит в невозможности предотвращения разбрызгивания расплава при обработке в режиме оплавления под воздействием избыточного давления газа в резервуаре. В связи с этим предложена более совершенная конструкция камеры – устройство для лазерного химико-термического модифицирования спеченных проницаемых сталей [22], в котором для увеличения твердости и износостойкости изделие 5 (рис. 142) закрепляется фиксирующим механизмом 4 в посадочном вырезе 7 выходного окна 8 газостатической камеры 9, в которой вакуумным насосом 10 создается разряжение, величина которого может регулироваться вакуумным клапаном 11. Через сопло 2 с газоподводящим клапаном 3 коаксиально лазерному излучению подается на поверхность изделия газовая среда. Градиент давлений определяет направление движения газовой фазы – от облучаемой поверхности по сообщающимся внутриобъемным поровым каналам изделия в камеру 9. Устройство позволяет эффективно защищать зону лазерной обработки от окисления и легировать ее компонентами газовой среды, получать более глубокое

378

ELIB.PSTU.RU

оплавление поверхностного слоя и подбирать режимы облучения так, чтобы избежать плазмообразования.

Рис. 142. Установка для лазерного химико-термического модифицирования спеченных проницаемых изделий: 1 – оптическая линза; 2 – корпус сопла; 3 – газоподводящий клапан; 4 – крепежный механизм; 5 – изделие; 6 – термостойкая прокладка; 7 – посадочный вырез; 8 – выходное окно; 9 – камера пониженного давления; 10 –

вакуумный насос; 11 – регулировочные вакуумные клапаны

Разработанное устройство обладает рядом преимуществ в сравнении с известными. Во-первых, насыщение участка облучения обрабатываемого изделия легирующими элементами газовой среды осуществляется не только с его поверхности, но и из внутреннего объема сообщающихся пор, куда газ поступает из-за разряжения в камере. Давление в газостатической камере должно быть ниже атмосферного (например, 80

379

ELIB.PSTU.RU

или 20 кПа). При этом постоянное пониженное давление в камере позволяет подобрать и стабилизировать давление поровой среды со стороны обрабатываемой поверхности таким образом, чтобы оно не достигало порога плазмообразования для используемой мощности лазерного излучения и вида газовой среды. Это позволяет избежать энергетических потерь, связанных с экранирующим действием плазмы.

Во-вторых, применение газостатической камеры пониженного давления при реализации наиболее часто используемого режима лазерной обработки – оплавления поверхности – позволяет увеличить глубину зоны закалки из жидкой фазы. Это связано с тем, что разряжение в камере будет способствовать движению расплава во внутренний объем проницаемого изделия и заполнению жидкой фазой поровых каналов.

В-третьих, использование газостатической камеры пониженного давления обусловливает движение газовой среды через проницаемое изделие и увеличивает скорость охлаждения зоны лазерного воздействия, что ведет к повышению дефектности образующихся структур: измельчению потоков и росту напряжений в кристаллической решетке материала и, следовательно, к повышению твердости поверхности. При этом скорость движения газового потока через обрабатываемый материал легко управляется величиной разрежения в камере при помощи вакуумных клапанов.

Для определения целесообразности ЛХТМ поверхности стали СП90 пористостью 15 и 23 % подобраны образцы-сви- детели, идентичные исследуемым, которые облучались на воздухе при атмосферном давлении. После лазерной обра-

ботки с плотностью потока энергии q = 1,6 108 Вт/м2 исход-

ная структура перлитно-цементитного типа с микротвердостью структурных составляющих 2,5–3 ГПа трансформировалась в результате фазовых превращений, вызванных термическим воздействием и последующим охлаждением за счет теплопроводности материала, в мелкодисперсную фер-

380

ELIB.PSTU.RU