ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ УПРОЧНЕНИЯ И ЛЕГИРОВАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КПЭ ПУТЕМ ПРОВЕДЕНИЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ И УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ

Бровер А.В., Бровер Г.И., Арутюнян О.С., Машкина А.В.

Как известно, эксплуатационные свойства изделий, износо- и коррозионная стойкость, сопротивление контактной усталости и др. во многом зависят от качества поверхностного слоя. В связи с ужесточением параметров процесса эксплуатации деталей машин и инструмента, увеличением скоростей перемещения рабочих органов, повышением температуры и давления значение качества поверхности возрастает. Взаимосвязь характеристик качества поверхностного слоя и свойств изделий свидетельствует о том, что оптимальная поверхность должна быть достаточно твердой, иметь сжимающие остаточные напряжения, мелкодисперсную структуру, сглаженную форму микронеровностей при значительной площади опорной поверхности.

Эти требования достижимы различными путями, в том числе поверхностным упрочнением и легированием различными элементами, поверхностным пластическим деформированием (ППД) и др. В технической литературе указывается, что эффект от использования ППД значительно возрастает, если его проводить в сочетании с другими методами упрочнения (например, химико-термической обработкой) или создавать дополнительное термическое воздействие - последовательно обрабатывать лучом лазера и т.д.. Успешное применение комбинированных методов поверхностного упрочнения сталей возможно лишь при условии формирования оптимальной структуры контактирующих поверхностей, что предопределяет получение требуемых эксплуатационных свойств. В связи с этим возникает необходимость определения критериев оптимизации структуры поверхностного слоя материалов.

В настоящей работе исследовался вопрос целесообразности использования ППД в сочетании с лазерным упрочнением и легированием для сталей У12А, Х12М, Р18, причем ППД выполнялось как до, так и после лазерной обработки. В первом случае достигалось деформационное упрочнение поверхностных слоев образцов, во втором - обработка ППД производилась с целью снижения шероховатости и некоторого дополнительного упрочнения поверхностных слоев сталей, а также, при определенных режимах лазерной обработки, для формирования масляных "карманов", удерживающих смазку при работе пар трения.

Эффекты упрочнения, наблюдаемые после проведения ППД и играющие определенную роль в получении положительных результатов после последующей лазерной обработки или легирования, в плане подготовленности структуры к высокотемпературной термообработке, объясняются следующим:

· влиянием созданной в мартенсите и унаследованной аустенитом субструктуры;

· изменением состояния и степени распада твердых растворов аустенита и мартенсита в процессе закалочного охлаждения;

· присутствием в структуре дисперсных карбидов, выделившихся при ППД.

Созданные путем ППД несовершенства кристаллического строения во многом определяют механизм и кинетику фазовых и структурных превращений при термообработке. При этом целесообразно управлять плотностью и распределением несовершенств в металле, чтобы получить оптимальные свойства. С этой целью при проведении исследований ППД осуществлялось с различной степенью (с меньшим и большим пластическим деформированием за счет различной энергии удара рабочих элементов шарико-стержневого упрочнителя).

Следует отметить, что формирование окончательной структуры сплава, а, следовательно, и его свойств в случае проведения лазерной обработки после ППД происходит в условиях повышенной плотности несовершенств кристаллического строения основных фаз металла. Одно из преимуществ проведения ППД перед лазерной обработкой состоит также в том, что при такой схеме упрочнения создается ориентированное расположение основных фаз и несовершенств строения (формируется текстура), причем характер ориентировки зависит от способа деформации.

Если тип формирующейся текстуры в поверхностных слоях материалов согласуется с характером напряженного состояния обработанных изделий, комбинированная обработка, заключающаяся в проведении перед лазерной обработкой ППД, приводит к понижению коэффициента трения и повышению износостойкости.

Как показали результаты металлографического анализа образцов сталей, проведение ППД как перед лазерной термообработкой, так и перед лазерным легированием позволяет увеличить глубину упрочненного слоя на 30-50%.

Результаты проведенных исследований позволяют сделать вывод о целесообразности проведения после поверхностной обработки, особенно в случае комбинирования лазерной обработки с ППД, отпуска при оптимальных общепринятых температурах, что способствует g®a превращению и повышению твердости упрочненного металла.

Дополнительные возможности для повышения основных эксплуатационных свойств сталей и сплавов предоставляет комбинированная поверхностная обработка, основанная на термическом действии лазерного излучения и механическом воздействии ультразвуковых колебаний. Применение ультразвуковой обработки в процессе лазерного упрочнения деталей машин и инструмента позволяет отказаться от предварительной подготовки облучаемой поверхности (очистки от технологических загрязнений, снятия заусенцев и т.д.), что повышает производительность процесса путем сокращения времени вспомогательных операций перед лазерной обработкой.

Комбинированное упрочнение в этом случае заключается в проведении операций очистки и поверхностного пластического деформирования с последующей лазерной обработкой. В качестве инструмента деформационного воздействия используется кавитационная область, создаваемая в жидкой среде (вода с добавками пассиватора) системами ультразвуковых излучателей типа ЦИС-8.

В результате предварительного кавитационного воздействия на поверхность обрабатываемого изделия в начальный момент времени происходит очистка ее от технологических загрязнений и последующее деформационное упрочнение, которое является следствием повышения плотности дефектов кристаллического строения твердых растворов и выделения мелкодисперсных карбидов.

При последующей лазерной обработке поверхностных слоев материала формируется структура, характеризующаяся оптимальным сочетанием насыщенности твердых растворов углеродом и легирующими элементами, а также структурной неоднородности, возникающей при частичном растворении исходных карбидов сплавов. Наблюдается также усиление эффекта дисперсионного твердения и формирование текстуры в поверхностных слоях металла, проявляющееся в аномальном росте интенсивности рефлексов (200) и (311) аустенита. Перечисленные явления приводят к увеличению эффективности лазерного облучения различных материалов, проведенного после ультразвуковой (кавитационной) обработки, в частности, к росту глубины упрочненного слоя на 15-25%, твердости - на 30-40% по сравнению с упрочненными слоями на неподготовленной поверхности.

Установлено также, что использование предлагаемого способа упрочняющей обработки материалов обеспечивает следующие преимущества по сравнению с существующими:

· возможность сокращения потребности, повышения надежности и ужесточения режимов эксплуатации деталей машин и инструмента за счет достижения более высоких значений основных свойств на их рабочих поверхностях;

· сокращение времени обработки за счет совмещения операций очистки от технологических загрязнений и дополнительного деформационного упрочнения.