Другие журналы

научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Издатель ФГБОУ ВПО "МГТУ им. Н.Э. Баумана". Эл № ФС 77 - 48211.  ISSN 1994-0408

Исследование влияния режима генерации лазерного излучения на структуру и свойства инструментальной стали при газопорошковой наплавке.

# 07, июль 2012
DOI: 10.7463/0712.0418604
Файл статьи: Ставертий_2_P.pdf (1040.48Кб)
авторы: Григорьянц А. Г., Мисюров А. И., Третьяков Р. С., Ставертий А. Я.

УДК.621.373.826

Россия, МГТУ им. Н.Э. Баумана

mt12.anton@gmail.com

tretyakov.roman@gmail.com.

          В настоящее время широко развивается применение лазерной наплавки для создания покрытий из специальных материалов при ремонте различных деталей. Известны работы по созданию покрытий как импульсным, так и непрерывным излучением, однако детальное сравнение двух методов на одном и том же наносимом материале, с проведением комплексных исследований свойств полученных покрытий, в литературе не описано.

Быстрорежущие стали широко применяют для создания режущих инструментов, работающих в условиях значительного силового нагружения и разогрева рабочих кромок, а также для ряда деталей, работающих при повышенных температурах, подшипников качения, тяжелонагруженных штампов холодного прессования [1].

          При наплавке инструментальных сталей с наличием структурных превращений в твердой фазе необходимо учитывать не только тепловоложение, но и весь термический цикл процесса наплавки, поскольку скорость охлаждения наплавленного металла влияет на измельчение его структуры, а значит, и на его механические свойства [2]. Исследование свойств покрытий при различных способах наплавки имеет большое значение для оптимального подбора режима обработки.

          Непрерывная наплавка проводилась с помощью излучения иттербиевого  волоконного лазера мощностью 4 кВт.  Импульсная наплавка проводилась твердотельным лазером с ламповой накачкой и средней мощностью до 150Вт. Исследуемые покрытия наносились на образцы специальной формы, разработанной под исследования на коэффициент трения и износ и представляли собой «грибок» из металла. Состав наносимого материала указан в таблице 1.

 

Табл. 1. Химический состав стали Р6М5

Cодержание,%

С

Si

Fe

Cr

Mo

Mn

V

W

 

1,0

0,3

База

4,0

5,0

0,3

2,0

6,2

 

Работоспособность материала детали в условиях эксплуатации характеризуют, среди прочих, следующие  критерии конструкционной прочности.

1).      Критерии прочности: прочность на разрыв, предел текучести и т.п. Косвенным признаком механической прочности является микротвердость материала.

2).      Циклическая прочность,  скорости изнашивания, ползучести, коррозии [3].

 

Исследование микроструктуры наплавленного слоя проводилось на продольном и поперечном шлифах. У образцов непрерывной наплавки после травления просматриваются отдельные проходы, сформированные при наплавке. Ширина прохода меняется от 965 мкм до 1000 мкм. Границы проходов сильно размыты и не имеют четко выраженных участков зоны повторного нагрева шириной  300 – 350 мкм (рис. 1).

 

Описание: Описание: 1410141х50-1

 

Рис. 1. Внешний вид поверхностного слоя стали Р6М5 (х50)

 

Структура наплавленного слоя аустенитно-мартенситная. Мартенсит внутри зерен травится слабо. Размер зерен изменятся от 5-15 до 25-30 мкм.  По границам зерен присутствует карбидная эвтектика сложного состава (CrWMonCm) с шириной сетки 0,5-1,0 мкм. Внутри  зерен имеются мелкие карбидные выделения на основе карбида ванадия размером 1-2 мкм (рис. 2, 3). Количественный анализ структурно-фазовых составляющих наплавленного слоя и зоны термического влияния представлен в таблице 2.  

В переходной зоне наблюдается практически полное растворение карбидной эвтектики за счет разбавления низколегированным основным металлом. Углерод и карбидообразующие элементы перешли в раствор  и способствовали формированию однородной нетравящейся прослойки с мартенситной структурой. Ширина прослойки колеблется от 5 до 15 мкм как на образцах, нанесенных непрерывной наплавкой, так и на образцах, полученных импульсным излучением.

 

Табл. 2. Структурно-фазовый состав покрытия из стали Р6М5

Участок поверхностного слоя

Характер микроструктуры

Доля структурно-фазовых составляющих, %

 

Средний диаметр зерна, мкм

Наплавка

Аустенитно-мартенситная с

карбидной эвтектикой

88 + 12

От 5,0 до 15

ЗТВ

Мартенсит +

бейнит

100

Ширина слоя от 5 до 15

 

 

Рис. 2. Микроструктура слоя, наплавленного импульсным лазерным излучением (1000х)

 

 

Рис. 3. Микроструктура слоя, наплавленного непрерывным лазерным излучением (1000х)

 

Значения микротвердости наплавленного слоя из инструментальной стали Р6М5 находятся в диапазоне от 8500 до 10300 МПа для образцов, выполненных на подложке из стали 3, что говорит о наличии высокоуглеродистого мартенсита в структурно-фазовом составе слоя. Переходная зона от слоя к основному металлу имеет небольшую ширину (около 50 мкм). Слой, полученный на образцах импульсно-периодическим лазерным излучением, характеризуется несколько меньшими значениями твердости в диапазоне от 6100 до 8000 МПа. Переходная зона от наплавленного слоя к основному металлу также небольшой ширины. Графики изменения микротвердости по толщине слоя представлены на рисунке 4.

Как видно из измерений, покрытия позволяют поднять твердость детали до 4-5 раз.

 

 

Рис. 4. Микротвердость стали Р6М5 после наплавки импульсным и непрерывным излучением

 

Одним из отличий лазерной наплавки от других традиционных методов является практически полное отсутствие пористости [4]. При измерении пористости гидростатическим методом было выявлено более высокое значение в покрытии, нанесенном непрерывным лазерным излучением, чем в импульсном (табл. 4, 5).

 

Табл. 4. Гидростатическая пористость наплавленных слоев

Тип источника излучения.

Пористость закрытая, %

Пористость открытая, %

Пористость общая, %

Непрерывное излучение

0,7

1,6

2,3

Импульсное излучение

0

0,1

0,1

 

Табл.5. Пористость, измеренная металлографическим методом

Степень пористости к площади поверхностного слоя, %

Средний диаметр пор, мкм

Примечания

Образец непрерывной наплавки

1

0,9

1,0-6,0. Отдельные зоны размером до

10-50

продольный шлиф на глубине 130 мкм от исходной наружной поверхности шлифа

2

1,1

3

0,5

Образец импульсной наплавки

1

0,4

0,5-1,0.  Отдельные зоны размером до

5-40

продольный шлиф на глубине 120 мкм от исходной наружной поверхности шлифа

2

0,5

3

0,3

Образцы непрерывной наплавки

1

1,0

2,5-4,0. Отдельные зоны размером до 25

поперечный шлиф

2

2,2

3

1,3

Образцы импульсной наплавки

1

2,1

2,5-15,0. Отдельные зоны размером до 105

поперечный шлиф

2

1,8

3

2,3

 

Из результатов исследований следует, что пористость покрытий, полученных импульсной и непрерывной наплавкой,  не превышает 3 %. Значит, покрытия являются плотными и имеют прочность сцепления на уровне межатомной связи.

          Испытания образцов непрерывной наплавки с поверхностным слоем, изготовленным из инструментальной стали, показали высокую стойкость к абразивному износу.

Наиболее стабильные результаты показывают испытания образцов при нагрузке 120Н. При таких условиях после участка приработки весовой износ на значительном пути трения составляет  0,003 – 0,005 г. При нагрузке 370 Н значения весового износа в области стабильной работы колеблются в интервале от 0,007 до 0,015 г. Примерно такие же значения характеризуют испытания при нагрузке 270 Н, однако они существенно изменяются в течение времени испытаний в диапазоне от 0,007 до 0,015 г. Примерно такие же значения характеризуют испытания при нагрузке 270 Н, однако они существенно изменяются в течение времени испытаний. Скорость изнашивания на этом этапе испытаний имеет значения 0,072, 0,15 и 0, 175 мг/с при нагрузке 120, 270 и 370 Н соответственно, а интенсивность изнашивания – 0,23, 0,48 и 0,56 мг/м.

На глубине около 200 мкм от поверхности образца при всех условиях испытаний происходит скачкообразное увеличение скорости изнашивания. Весовой износ возрастает в 3,0 – 3,5 раза, а затем несколько снижается. При нагрузке 120 Н значения износа практически возвращаются к уровню стабильной работы, при нагрузках 270 и 370 Н – снижение износа менее ярко выражено.

            Испытания на износ образцов импульсной наплавки с показали высокую повторяемость результатов первой части испытаний образцов непрерывной наплавки.

Заключение.

В результате исследований установлено, что лазерная наплавка позволяет восстановить локальные участки деталей с получением высоких рабочих характеристик. Проведены исследования структуры, микротвердости, пористости и износостойкости покрытий, полученных двумя различными способами наплавки. 

Наплавка импульсным лазерным излучением даже с довольно мягким режимом нанесения при средних частотах и энергетике лазерного излучения позволила получить более мелкую микроструктуру, чем наплавка непрерывным лазерным излучением. Такая структура менее подвержена трещинам и более прочна. Кроме того, металл, полученный импульсным лазерным излучением, имеет пористость, как поверхностную, так и объемную, на порядок ниже, чем металл, полученный непрерывным лазерным излучением. При обработке резанием данный показатель является немаловажным, поскольку металл резца нагружается в процессе эксплуатации циклически.

Однако импульсный режим нанесения покрытия является малопроизводительным и трудоемким. Поэтому покрытие металла таким составом должно быть экономически обоснованным. Покрытие, созданное непрерывным лазерным излучением, является, в свою очередь, более производительным и дешевым, в связи с этим при восстановлении крупных деталей необходимо использовать непрерывное излучение при малопроизводительных режимах нанесения покрытия.

 

Литература

1.    Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки: Учеб.пособие для вузов/ Под ред. А.Г. Григорьянца. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. – 664 с.:ил

2.    Инструментальные стали. Справочник. М., «Металлургия», 1977, 168 с. Позняк А.С., Тишаев С.И., Скрынченко Ю.М.

3.    Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. Б.Н. Арзамасов, И.И. Сидорин., Г.Ф. Косолапов. М.: Машиностроение, 1986. – 384 с.,ил.

  1. Забелин А.М., Шиганов И.Н., Чирков А.М., Хрусталев Ю.А. Гибридные технологии лазерной наплавки: Учеб. Пособие. – М.: изд-во МГОУ, 2007.

Публикации с ключевыми словами: быстрорежущая сталь, лазерная наплавка, механические свойства покрытий, порошковая наплавка, восстановление режущего инструмента
Публикации со словами: быстрорежущая сталь, лазерная наплавка, механические свойства покрытий, порошковая наплавка, восстановление режущего инструмента
Смотри также:

Тематические рубрики:
Поделиться:
 
ПОИСК
 
elibrary crossref ulrichsweb neicon rusycon
 
ЮБИЛЕИ
ФОТОРЕПОРТАЖИ
 
СОБЫТИЯ
 
НОВОСТНАЯ ЛЕНТА



Авторы
Пресс-релизы
Библиотека
Конференции
Выставки
О проекте
Rambler's Top100
Телефон: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)
  RSS
© 2003-2021 «Наука и образование»
Перепечатка материалов журнала без согласования с редакцией запрещена
 Тел.: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)