К

К.т.н., доц. Бровер А.В., д.т.н., проф. Бровер Г.И.

Донской государственный технический университет, Россия

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ХИМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ ПРИ ЭКСТРЕМАЛЬНОМ ТЕПЛОВОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

Как известно, химические покрытия на никелевой основе, широко применяемые для повышения износостойкости различных изделий, после осаждения хрупки и имеют недостаточно высокую прочность сцепления с подложкой. В связи с этим появляется необходимость проведения их термообработки. При нагреве на границе покрытие - подложка образуется диффузионный слой, предотвращающий отслаивание покрытий при эксплуатации изделий.

Традиционно термическая обработка химических покрытий заключается в печном нагреве при температурах 300-400^оС в течение 1 часа. Такой нагрев приводит к повышению эксплуатационных свойств покрытий, но сопровождается снижением основных свойств изделий в целом, особенно в случае изготовления их из углеродистых или низколегированных сталей.

С этой точки зрения перспективным является проведение локальной лазерной термообработки участков изделий с покрытием, подверженных максимальному износу при эксплуатации.

Для оптимизации режимов лазерного облучения определена степень их влияния на строение и основные свойства покрытий на никелевой основе.

В работе исследовались никелевые химические покрытия на сталях Р6М5, Р18, Х12М. Металлографический анализ проводился с использованием микроскопов ММУ-3, МИМ-7, “Neophot-21”. Рентгеноструктурные исследования осуществлялись на дифрактометре ДРОН-0,5 в фильтрованном Fe_к_a-излучении. Твердость измеряли на микротвердомере ПМТ-3 с нагрузкой 0,49Н. Лазерное облучение осуществлялось с использованием технологических лазерных установок типа Квант с плотностью мощности излучения 80-250 МВт/м².

Рентгеноструктурными исследованиями образцов до и после лазерной обработки установлено, что до облучения никелевые покрытия системы Ni-P имеют мелкокристаллическую структуру, дающую на дифрактограммах диффузное гало, то есть в покрытиях наблюдаются наноструктурные эффекты. После лазерной обработки с q>60 МВт/м² на фоне гало появляются достаточно четкие линии кристаллических фаз. Для их идентификации контрольный образец с покрытием подвергали отжигу на равновесный фазовый состав.

Сравнение и анализ диаграмм состояния сплава Ni-Р показали, что вся совокупность интерференционных линий покрытий после лазерной обработки аналогична линиям дифрактограммы отожженного сплава, который представляет собой твердый раствор Р в b-Ni и соединение Ni₃Р с несколько измененным по сравнению с равновесным составом. Это выражается в размытии рефлексов и смещении их в сторону меньших углов отражения. В области малых углов отражения регистрируются слабые линии соединений Ni_xР_y (Ni₇P₃, Ni₅P₄, Ni₂P и др.).

Установлено, что процесс структурообразования при нагреве химического покрытия многостадийный и завершается распадом в равновесных условиях исходного метастабильного твердого раствора на смесь равновесных для данного состава кристаллических фаз. Скоростной лазерный нагрев позволяет зафиксировать промежуточные стадии превращений и получить нетрадиционные свойства покрытий.

Рентгенографические исследования позволили установить наличие преимущественной ориентировки структурных составляющих в облученных химических покрытиях, возникающей вследствие направленной кристаллизации подплавленного покрытия на твердой подложке и проявляющейся на рентгенограммах в аномальном соотношении интенсивностей рефлексов никеля. Фиксируемые текстурные эффекты имеют важное значение, поскольку они обусловливают анизотропию основных свойств облученных покрытий, в частности износостойкости, и приводят к их повышению, если тип текстуры (текстура кристаллизации) согласуется с видом напряженного состояния упрочненных изделий в условиях эксплуатации. Предпочтительная ориентация структур лазерной обработки способствует уменьшению взаимодействия трущихся поверхностей, что снижает коэффициент трения по сравнению с традиционным объемным упрочнением.

Металлографическими исследованиями установлено, что качество формирующихся при лазерной обработке химических покрытий поверхностных слоев, прежде всего, зависит от толщины покрытия и плотности мощности излучения. Экспериментально определено, что оптимальная толщина покрытия должна составлять 10-30 мкм, при увеличении толщины свыше 30 мкм им поглощается большая часть энергии излучения, что снижает эффективность проведения лазерной термообработки. При выборе параметров лазерного облучения химических покрытий обращалось внимание на состояние поверхности образцов после обработки. Так, лазерная термообработка с плотностью мощности свыше 100 МВт/м² приводит к образованию кратерообразной зоны с углублением в центральной части пятна. При этом наблюдается растрескивание покрытия почти по всей площади пятна расфокусировки.

В случае облучения покрытий с плотностью мощности менее 100 МВт/м² перечисленные эффекты не наблюдаются. Поверхность приобретает незначительную волнистость, уменьшающуюся по мере снижения плотности мощности излучения. Выбранная плотность мощности излучения позволяет получить качественный поверхностный слой, несмотря на значительную разницу в температурах плавления покрытия и подложки.

Макроструктурный анализ показал, что при оптимальных уровнях энергии и длительностях импульса излучения наблюдается ряд положительных эффектов, позволяющих рекомендовать лазерную термообработку для повышения качества химических покрытий на инструментальных сталях. Например, замечено, что лазерное облучение с незначительным оплавлением поверхности (q=90 МВт/м²) приводит к снижению пористости, к "залечиванию" поверхностных дефектов, микротрещин, к удалению водорода из поверхностных слоев стали, что в совокупности снижает вероятность зарождения трещин и разрушения обработанных образцов и изделий из инструментальных сталей. Кроме того, методом нанесения сетки царапин в облученных зонах обнаружено повышение прочности сцепления покрытия с подложкой, то есть адгезионной прочности. Это обусловлено тем, что при используемых плотностях мощности светового потока на границе покрытия с подложкой достигается температура, способствующая образованию непрерывного ряда твердых растворов между железом и никелем. Таким образом, появляется возможность замены операции нагрева покрытий после осаждения на их лазерную обработку.

Как показали металлографические и рентгеноструктурные исследования, поверхностные слои инструментальных сталей после лазерной обработки химических покрытий имеют дендритное строение, глубина облученного слоя составляет при этом 10-30 мкм, микротвердость достигает значений 4-6 ГПа и может быть повышена до 8-9 ГПа последующим отпуском в течение 1 часа при температуре 300^оС. При измерениях твердости замечено, что химически осажденные покрытия даже после нагрева до температур 100-400^оС имеют недостаточно высокую прочность сцепления с подложкой, что выражается в образовании сколов покрытий около отпечатков индентора микротвердомера в процессе нагружения. После лазерной термообработки подобные явления не наблюдаются.

Таким образом установлено, что лазерная обработка химических покрытий позволяет повысить качество поверхностных слоев сталей за счет уплотнения и дегазации, улучшения морфологии поверхности, формирования в поверхностных слоях сталей относительно совершенной текстуры, в 1,5-2 раза увеличить твердость поверхностных слоев за счет достижения оптимального сочетания концентрационной неоднородности и насыщенности твердых растворов фосфора в никеле и за счет выделения большого количества дисперсных соединений типа Ni₃P, Ni₅P₄.

Лазерное облучение на оптимальных режимах понижает коэффициент трения в 1,5-4 раза и повышает износостойкость сталей с химическими покрытиями.