Повышение служебных свойств поверхности конструкционных низкоуглеродистых сталей методом лазерного легирования

• Автор: Калашникова, Марина Сергеевна
• Шифр специальности: 05.03.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 132 с.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

1. Аналитический обзор и постановка задачи

1.1. Лазерная обработка материалов

1.1.1. Взаимодействие лазерного излучения с веществом

1.1.2. Особенности нагрева и охлаждения при лазерной

обработке

1.1.3. Классификация методов поверхностной лазерной

обработки

1.2. Лазерное легирование поверхности металлов

1.2.1. Обоснование выбора компонентов легирующих
композиций
1.2.2. Формирование структуры при лазерном легировании
1.2.3. Свойства поверхностных слоев после лазерного
легирования
1.3. Постановка задачи
2. Методика экспериментальных исследований
2.1. Материал исследования
2.2. Методика процесса лазерной обработки
2.3. Методика определения микрогеометрии поверхности
2.4. Методика металлографических исследований
2.5. Рентгеноструктурный анализ
1.6. Микрорентгеноспектральный анализ
1.7. Методика дюрометрических исследований
1.8. Методика определения микрохрупкости структуры
легированного слоя
1.9. Измерение коэффициента теплопроводности
1.10. Определение коррозионной стойкости в жидких средах
1.11. Определение триботехнических свойств
3. Исследование структуры поверхностных слоев сталей
после лазерного легирования
3.1. Распределение химических элементов в зоне лазерного воздействия
3.2. Формирование фазового состава поверхности
3.3. Исследование микроструктуры поверхностных слоев
3.4. Формирование структуры поверхностных слоев
3.5. Влияние температурно-временных параметров на устойчивость структурного состояния
слоев лазерного легирования
Выводы по главе
4. Исследование свойств поверхностных слоев сталей после лазерного
легирования и производственные испытания
4.1. Физические и механические и свойства
4.1.1. Роль структуры и химического состава легированных
слоев при формировании теплофизических свойств
4.1.2. Влияние состава поверхности на распределение микротвердости в зоне лазерного воздействия и
в зоне термического влияния
4.2. Эксплуатационные свойства
4.2.1. Коррозионная стойкость
4.2.1.1. Механизм коррозии легированных слоев сталей
4.2.1.2. Влияние pH среды
4.2.1.3. Влияние состава легирующих композиций
и материала основы
4.2.2. Износостойкость
4.3. Практическое использование результатов исследований
Выводы по главе
Общие выводы
Библиографический список
Приложение
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время лазерные технологии получения и обработки материалов являются качественно новыми технологическими процессами, все шире внедряемыми в производство [5, 45, 64, 92, 99, 103]. В основе этих технологий лежит тепловое воздействие на материалы электромагнитного излучения, создаваемого оптическими квантовыми генераторами — лазерами.
Высокие плотности потока энергии лазерного излучения, существенно превосходящие мощности других источников энергии, позволяют получать качественно новые свойства поверхностей, недоступные традиционным методам обработки материалов и значительно увеличивать производительность обработки.
Лазерная обработка поверхностей металлов и сплавов относится к локальным методам термической обработки с помощью высококонцентрированных источников нагрева. В связи с этим, лазерный луч как источник нагрева при термической обработке материалов имеет черты, свойственные всем другим
высококонцентрированным источникам, а также свои особенности и преимущества [21, 97]. Лазерную обработку материалов можно проводить непрерывным или импульсным излучением.
Обработка поверхности материалов непрерывным лазерным излучением имеет ряд особенностей по сравнению с импульсной. Во-первых, нет ограничений по длительности лазерного воздействия, что позволяет увеличить геометрические размеры упрочненных зон, а также в более широком интервале изменять структуру и свойства упрочненных слоев. Во-вторых, по длине дорожек от лазерного воздействия нет зон многократного нагрева, а, следовательно, имеется возможность увеличения равномерности свойств по поверхности [63].
При обработке поверхности сталей и сплавов импульсным лазерным излучением также появляется ряд особенностей по сравнению с непрерывной. Во-первых, благодаря меньшей длины волны, импульсное излучение больше поглощается поверхностью материалов. Во-вторых, за счет уменьшения расфокусировки лазерного луча при одной и той же мощности лазера можно добиться значительного повышения плотности мощности в импульсе. Температура нагрева материала значительно возрастает, и тугоплавкие соединения, имеющиеся в
2.2. Методика процесса лазерной обработки
Процесс лазерного легирования проводили на воздухе на технологических установках импульсного действия «Квант-10; 15; 18» с плотностью мощности от 2-Ю5 до 5-Ю6 Вт/см2. Схема обработки поверхности сталей лазерным лучом приведена на рисунке 2.1. Рекомендуемые значения энергетических параметров лазерного легирования представлены в таблице 2.3.
Рис. 2.1. Схема лазерного легирования поверхности сталей импульсным излучением: Б - расстояние между центрами соседних пятен (шаг) при лазерной обработке по контуру (5=0,5бп, где йп - диаметр пятна от воздействия лазерного луча)
Таблица 2.
Энергетические параметры импульсного лазерного легирования
Параметры Первичная лазерная обработка Повторная лазерная обработка
Энергия в импульсе, Дж 10 8 •
Степень рассредоточения пучка, мм 0,6 0,
Частота следования импульсов - 2 Гц, длительность импульса - 4-10'3 с, перекрытие пятен в продольном направлении - 50 %, перекрытие дорожек - 50 %.
2.3. Методика определения микрогеометрии поверхности
Для определения неровности поверхностей использовали профилометр «Калибр» с цифровым отсчетом и индуктивным преобразователем 296 модели.