Лазерное поверхностное легирование стальных изделий (Обзор)

Выполнен анализ литературы, посвященной лазерному поверхностному легированию стальных изделий. Исследованы процессы, происходящие при формировании структуры поверхностных слоев при лазерном легировании сталей. Приведены примеры практического применения лазерного поверхностного легирования сталей р...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Автоматическая сварка
Date:	2013
Main Author:	Бернацкий, А.В.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2013
Subjects:	Научно-технический раздел
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/103142
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Лазерное поверхностное легирование стальных изделий (Обзор) / А.В. Бернацкий // Автоматическая сварка. — 2013. — № 12 (727). — С. 3-10. — Бібліогр.: 50 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1859477452962660352
author	Бернацкий, А.В.
author_facet	Бернацкий, А.В.
citation_txt	Лазерное поверхностное легирование стальных изделий (Обзор) / А.В. Бернацкий // Автоматическая сварка. — 2013. — № 12 (727). — С. 3-10. — Бібліогр.: 50 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Автоматическая сварка
description	Выполнен анализ литературы, посвященной лазерному поверхностному легированию стальных изделий. Исследованы процессы, происходящие при формировании структуры поверхностных слоев при лазерном легировании сталей. Приведены примеры практического применения лазерного поверхностного легирования сталей различными материалами и смесями. Показано, что при лазерном легировании обеспечивается возможность формирования поверхности стальных изделий, которые имеют высокий уровень твердости, теплостойкости, износостойкости, коррозионной стойкости и других физико-механических характеристик. Установлено, что работы, выполненные в этом направлении, не носили системного характера, а зачастую были направлены на решение локализованной задачи повышения эксплуатационных характеристик отдельно взятого материала или деталей из него. Поэтому полученные разными авторами результаты не поддаются систематизации из-за существенных различий в схемах и условиях проведения исследований.
first_indexed	2025-11-24T11:44:16Z
format	Article
fulltext	УДК 621.785.5: 621.9.048.7 ЛАЗЕРНОЕ ПОВЕРХНОСТНОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ (Обзор) А. В. БЕРНАЦКИЙ ИЭС им. Е. О. Патона НАНУ. 03680, г. Киев-150, ул. Боженко, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua Выполнен анализ литературы, посвященной лазерному поверхностному легированию стальных изделий. Исследованы процессы, происходящие при формировании структуры поверхностных слоев при лазерном легировании сталей. Приведены примеры практического применения лазерного поверхностного легирования сталей различными мате- риалами и смесями. Показано, что при лазерном легировании обеспечивается возможность формирования поверхности стальных изделий, которые имеют высокий уровень твердости, теплостойкости, износостойкости, коррозионной стойкости и других физико-механических характеристик. Установлено, что работы, выполненные в этом направлении, не носили системного характера, а зачастую были направлены на решение локализованной задачи повышения эксплуатационных характеристик отдельно взятого материала или деталей из него. Поэтому полученные разными авторами результаты не поддаются систематизации из-за существенных различий в схемах и условиях проведения исследований. Библиогр. 50, рис. 2. К л ю ч е в ы е с л о в а : лазерное легирование, схема, процесс, зона легирования, сталь, легирующие материалы, промышленное внедрение С ростом требований к качеству рабочего слоя [1, 2], показателям экономической эффективности процессов [3], подбору материалов в зависимости от поверхностных свойств и сечения деталей, а также вследствие увеличения объемной доли ком- плекснолегированных сталей в процессе произ- водства деталей и инструмента, становятся акту- альными задачи применения ресурсосберегающих технологий для повышения эксплуатационного ресурса нагруженных стальных изделий, напри- мер, поверхностным легированием [4]. Легирование (от лат. ligo — связываю, сое- диняю) — введение добавок (металлов, неметал- лов и их соединений) в металлы, сплавы и по- лупроводники для придания им определенных фи- зических, химических, механических свойств [5]. При легировании металлов и сплавов могут об- разовываться твердые растворы, смеси двух и более фаз, интерметаллиды, карбиды, нитриды, оксиды, сульфиды, бориды и другие соединения легирующих элементов с основой сплава или меж- ду собой [4, 5]. В результате легирования существенно меня- ются физико-химические характеристики исход- ного металла или сплава и прежде всего элект- ронная структура [5]. Легирующие элементы вли- яют на температуру плавления, характер дефектов кристаллической решетки, на формирование зе- рен и тонкой кристаллической структуры, область существования аллотропических модификаций и кинетику фазовых превращений, на дислокацион- ную структуру, жаростойкость и коррозионную стойкость, электрические, магнитные, механичес- кие, диффузные и многие другие свойства сплавов [3–8]. Легирование подразделяют на объемное и по- верхностное [5]. При объемном легировании ле- гирующий элемент в среднем статистически рас- пределяется в объеме металла. В результате по- верхностного легирования легирующий элемент концентрируется на поверхности металла. Леги- рование сразу несколькими элементами, опреде- ленное содержание и соотношение которых поз- воляет получить необходимый комплекс свойств, называют комплексным легированием и соответ- ственно сплавы — комплекснолегированными. Например, в результате легирования аустенитной хромоникелевой стали вольфрамом ее жаропроч- ность возрастает в 2…3 раза, а при совместном использовании вольфрама, титана и др. элементов — в 10 раз [5]. В основе большинства традиционных процес- сов поверхностного легирования сталей (в соче- тании с термической обработкой) лежит диффуз- ное насыщение элементами из газовой или жид- кой фазы и химическое осаждение из газовой фа- зы [9]. Общее название этих методов — хими- ко-термическая обработка (ХТО). К таким про- цессам относят алитирование (легирующий эле- мент алюминий), цементацию (легирующий эле- мент углерод), цианирование (легирующие эле- менты углерод и азот), азотирование (легирую- щий элемент азот), борирование (легирующий элемент бор) и т. д. [5, 9]. Однако перечисленные методы ХТО имеют ряд общих существенных недостатков как по тех- нологии процесса, так и по свойствам легирован- © А. В. Бернацкий, 2013 12/2013 3 ного слоя. К числу основных недостатков, огра- ничивающих применение этих способов как ме- тодов обработки, упрочняющих поверхность, можно отнести [10]: — большую продолжительность операции (например, скорость насыщения углеродом поряд- ка 2,8⋅10–5 мм/с, а для получения азотированного слоя толщиной 0,5 мм в конструкционных сталях при 773…793 К нужно потратить 50…70 ч), след- ствием чего является малая производительность процесса; — деформацию и коробление под действием напряжений, создаваемых условиями нагрева во время технологического процесса и последующе- го охлаждения и, как следствие, необходимость в дополнительных операциях механической об- работки; — хрупкость и отшелушивание внешней части обработанного слоя. Также недостатками перечисленных выше ме- тодов ХТО является небольшая толщина легиро- ванного слоя и плохая его связь со структурой базового металла. При форсированных режимах эксплуатации легированный слой быстро срыва- ется с поверхности детали. В связи с растущими эксплуатационными тре- бованиями к тяжелонагруженным деталям различ- ных узлов и механизмов актуальными становятся задачи повышения жаростойкости и трещинос- тойкости. Однако обычная ХТО с закалкой и от- пуском хотя и влияет на свойства изделия, во многих случаях явно недостаточна. Она в наи- большей степени подходит для повышения из- носостойкости, коррозионной стойкости и в мень- шей степени для повышения жаростойкости, а также сопротивления возникновению и распрос- транению трещин [5]. Применение перечисленных выше методов по- верхностного легирования в значительной степе- ни связано с историей развития машиностроения в развитых странах. Сама эволюция этих методов была вызвана стремлением повысить эксплуата- ционные качества поверхностных слоев нагру- женных стальных изделий. На современном этапе развития техники и технологии особое внимание вызывают новые методы поверхностного легиро- вания, позволяющие устранить перечисленные не- достатки указанных выше методов [10]. В основе этих новых методов лежит использование локаль- ных источников нагрева. Для модифицирования поверхности металлов предпочтение отдается та- ким методам, которые используют в качестве теп- лового источника концентрированные потоки энергии: лазерные, ионные, ультразвуковые и дру- гие. Лазерные технологии позволяют успешно ре- шать проблему создания материалов с заданным комплексом свойств путем целенаправленного формирования структуры [10–50]. При лазерном легировании появляется возможность формиро- вать такие поверхностные слои, которые имеют высокий уровень твердости [10–12], теплостой- кости [10, 13, 14], износостойкости [10, 15–17], коррозионной стойкости [10, 18] и других харак- теристик [10–20]. Процессы локального легиро- вания реализуются посредством как импульсного [6, 10–13, 17], так и непрерывного [6, 8, 10, 12–20] лазерного излучения. При этом могут применять- ся различные схемы обработки «с перекрытием» [10, 12, 13, 15–17, 19, 20] и без него [6, 10–13, 17]. Результаты процесса зависят также от способа подачи в зону обработки легирующего материала [10, 12, 13, 17], вида легирующего элемента (эле- ментов) [6, 8, 10–20], свойств матричного мате- риала [10–13, 15, 17] и многих других факторов. Поверхностное лазерное легирование заключа- ется в получении легированных слоев с принуди- тельной подачей присадочных материалов непос- редственно в зону действия сфокусированного ла- зерного излучения. Схема процесса лазерного ле- гирования показана на рис. 1 [12]. Образец с тонким слоем легирующей обмазки при движении под ла- зерным лучом локально оплавляется, легирующие компоненты переходят в объем жидкой ванны ме- талла, которая затем кристаллизуется. Исследования процесса лазерного поверхнос- тного легирования [6, 8, 10–20] показывают, что лазерное излучение, направленное на обрабаты- ваемую поверхность, частично поглощается при- садочным и основным материалами, а частично отражается. Вследствие поглощения в зоне дейс- твия лазерного излучения начинает действовать интенсивный источник теплоты [10]. При плот- Рис. 1. Схема процесса лазерного легирования [12]: 1 — образец, движущийся со скоростью v; 2 — легированная дорожка; 3 — ванна расплава; 4 — лазерный пучок; 5 — фокусирующая система; 6 — защитный газ; 7 — легирующая обмазка 4 12/2013 ностях мощности излучения 105…106 Вт/см2 про- исходит активный локальный разогрев присадоч- ных материалов, при котором на поверхности ван- ны расплава (жидкой фазы) образуется парога- зовая фаза [12]. При лазерном легировании про- исходят взаимосвязанные процессы тепломассо- переноса и микрометаллургические процессы. При перемещении лазерного луча расплавленный металл вследствие явления массопереноса (интег- рального действия давления пара, разницы сил поверхностного натяжения в центральной и хвос- товой частях ванны расплава, турбулентных те- чений расплава) оттесняется в хвостовую часть ванны [10]. В момент существования жидкого ме- талла благодаря термокапиллярной конвекции Марангони происходит перемешивание расплав- ленной легирующей композиции с металлической матрицей [21]. При этом происходит насыщение поверхности сталей легирующими элементами из композиций, образование химических соедине- ний, частичная гомогенизация в зоне жидкого ме- талла [8, 10, 13]. При кристаллизации металла ванны расплава образуется легированный слой. При повышении плотности мощности излучения более 106 Вт/см2 наблюдается переход в режим кинжального проплавления, характеризующегося образованием парогазового канала в ванне расп- лава [10]. Рассмотрим более подробно процессы, проис- ходящие при формировании структуры поверх- ностных слоев при лазерном легировании сталей. В зависимости от теплофизических характеристик материала основы, а именно от теплопроводности, поверхность металла разогревается до разных температур [10, 13, 17, 22]. В случае, когда ма- териал основы имеет низкий коэффициент теп- лопроводности, металл в ванне расплава разог- ревается до очень высоких температур. Глубина ванны расплава при этом небольшая. Концент- рация легирующих элементов резко возрастает. При воздействии лазерного излучения на повер- хность сталей, имеющих высокий коэффициент теплопроводности, глубина ванны расплава уве- личивается, и, соответственно, содержание леги- рующих элементов в ванне снижается [10]. При этом температура в зоне оплавления оказывается ниже, чем в первом случае. В связи с тем, что наибольшее распростране- ние получили лазерные установки с гауссовым распределением энергии в лазерном пучке, в цен- тре луча наблюдается максимум энергии, а к пе- риферии луча его энергия уменьшается [10, 23]. Таким образом, в центре тепловой источник более сильно нагрет, чем на периферии. Следовательно, и металл оказывается нагретым тоже неравномер- но [12, 13, 24]. Это способствует возникновению кругового характера движения жидкости, направ- ленного от поверхности металла к периферии и вглубь ванны расплава [10–13, 21, 23, 24]. Потоки жидкости как бы симметрично закручиваются в противоположные стороны, т. е. создаются два симметричных макровихря [12, 13, 21]. Они об- разуются в том случае, когда физико-химические и механические свойства жидкого металла по всей ванне расплава одинаковы. При дальнейшем пе- ремещении теплового источника в пределах ван- ны расплава образуются несколько вихрей, так как свойства металла в зоне лазерного воздейс- твия существенно отличаются [12]. С одной сто- роны, где к ванне расплава прилегает холодный, не нагретый лазерным лучом металл, теплоотвод осуществляется интенсивнее, чем со стороны ме- талла, уже подверженного влиянию лазерного из- лучения. Таким образом, с одной стороны ванны расплава температурный градиент оказывается большим, чем с другой [11]. Движение металла происходит от областей с более высокой темпе- ратурой к менее нагретым областям [12]. Вихре- вой характер движения жидкости приводит к ее интенсивному перемешиванию, что способствует получению гомогенной структуры [10]. При этом высокие температуры в сочетании с малым вре- менем позволяют сохранить высокую концентра- цию легирующих компонентов [10–20]. Все экспериментальные данные показывают достаточно однородное распределение легирую- щей добавки по сечению жидкой ванны [10–20]. Это однозначно указывает на главную роль кон- вективного массопереноса по сравнению с диф- фузионным [10]. Испарением металла (и соответ- ственно давлением отдачи паров) при легиро- вании пренебрегают [12], так как практически всегда процесс легирования идет ниже темпера- туры кипения материала. Зона обработки после лазерного легирования имеет строение, аналогичное строению зоны после лазерной закалки с оплавлением. Отличие заклю- чается в том, что в металл расплавленной ванны вводят легирующие элементы. Диффузия элементов из зоны оплавления в зону термического влияния обычно происходит на глубину не более 10 мкм [10, 11]. Однако в некоторых случаях эксперимен- тально обнаружено перераспределение легирую- щих элементов в твердой фазе под зоной оплав- ления на глубине 200…300 мкм [10, 12, 13, 17]. Это может быть вызвано образованием тонких ка- налов жидкой фазы по границам зерен и блоков в твердом металле и массопереносом по этим ка- налам [12, 13, 17]. Процессы массопереноса в твер- дой фазе также могут быть обусловлены дислока- ционным перемещением атомов в результате быс- трых локальных деформаций [10, 12]. Отличие строения зон, легированных лазером, от строения диффузионных покрытий заключа- ется в отсутствии слоистости [10]. Вследствие конвективного перемешивания расплава по мере 12/2013 5 удаления от поверхности, перехода от фаз с боль- шей концентрацией легирующего элемента к фа- зам с меньшей концентрацией не происходит [10, 12, 13, 17]. Все фазы в легированной зоне по глу- бине перемешаны примерно равномерно [10]. Существуют следующие способы подачи ле- гирующего элемента в зону лазерного воздейс- твия [10, 12, 13]: нанесение легирующего состава в виде порош- ка на обрабатываемую поверхность; обмазка поверхности специальным легирую- щим составом; легирование в жидкости (жидкой легирующей среде); накатывание фольги из легирующего матери- ала на обрабатываемую поверхность; легирование в газообразной легирующей среде; удержание ферромагнитных легирующих эле- ментов на матричной поверхности магнитным по- лем; нанесение легирующего состава газотермичес- кими способами (например, газопламенным, плаз- менным, детонационным напылением и пр.); электролитическое осаждение легирующего покрытия; подача легирующего состава в зону обработки синхронно с лазерным излучением. Каждый из этих способов имеет свои досто- инства и недостатки [10–13], которые определяют целесообразность его использования в конкрет- ном случае, причем результаты, полученные при незначительных изменениях в технологических режимах и способе подачи материала, могут внес- ти значительные коррективы в полученный ре- зультат. Так, в работах [25, 26] экспериментально исследовано влияние концентрации поверхност- но-активного вещества (ПАВ) на конвекцию рас- плава и результаты лазерного легирования. По- казано [25], что добавление в легирующую об- мазку селена или серы в качестве ПАВ позволило регулировать профиль поверхности и форму се- чения легированных дорожек. Исходя из целей лазерного легирования (по- вышение износостойкости, коррозионной стой- кости, контактной выносливости и других слу- жебных характеристик) [10], необходимо учиты- вать известные результаты работ по ХТО [1, 4, 5, 9]. Вместе с тем нельзя сразу сопоставлять про- цессы формирования легированного поверхност- ного слоя при оплавлении лазером [10–25] с про- цессами ХТО, при которых легирование идет как диффузия в твердой фазе. При лазерном легиро- вании в результате «жесткого» термического цик- ла с большими скоростями нагрева и охлаждения характерно образование перенасыщенных метас- табильных структур высокой дисперсности, что недостижимо при обычной ХТО [10]. Размеры легированной зоны зависят в основном от энергетических параметров излучения [12] и тол- щины покрытия из легирующего материала. Как правило, легирование импульсным излучением обеспечивает меньшие размеры легированной зоны, чем при обработке непрерывным излучением [10– 17]. В частности, если при импульсной обработке глубина зоны достигает 0,3…0,7 мм, то примене- ние непрерывного излучения мощных CO2-лазе- ров и Nd:YAG-лазеров позволяет увеличить глу- бину зоны до 3 мм [10]. Большое количество научных трудов, посвя- щенных использованию способа лазерного леги- рования широкой номенклатуры металлов и спла- вов, появилось в последнее время благодаря ра- боте многих научных коллективов. В качестве ле- гирующих добавок традиционно используют три основные группы веществ: неметаллы, металлы и их соединения (например, карбиды) [10–22]. Легирование неметаллическими компонента- ми (например, углеродом, азотом, бором, крем- нием) является альтернативой традиционным ме- тодам цементации, азотирования, борирования, силицирования [10 12, 13, 17]. Легирование низкоуглеродистых сталей угле- родом приводит естественным образом к форми- рованию мелкозернистой структуры из мартен- сита и остаточного аустенита, причем микротвер- дость достигает 9000 МПа [10, 14, 17]. Структурой сталей после лазерного азотиро- вания является азотистый мартенсит, остаточный аустенит и нитриды железа [6, 10, 12, 27]. В структуре борированных лазером зон при небольшом содержании бора присутствуют α-Fe и боридная эвтектика [10 12, 13, 28]. При этом микротвердость составляет (6…12)⋅108 МПа [10, 12, 13]. При увеличении концентрации бора в структуре появляется большое количество бори- дов (FeB, Fe2B, Fe3B), остаточный аустенит от- сутствует, микротвердость резко повышается до (14…21)⋅108 МПа [10, 13, 28]. Легированная по- верхность с повышенным содержанием фазы FeB хорошо работает при абразивном износе, тогда как при ударном воздействии рекомендуется по- лучать в структуре бориды Fe2B и Fe3B [12, 28]. При увеличении концентрации кремния при лазерном силицировании кроме α-Fe в структуре зоны лазерного воздействия образуются силици- ды Fe3Si, Fe2Si3, FeSi, FeSi2 и микротвердость ста- лей увеличивается от 8⋅103 до (14…15)⋅103 МПа, значительно увеличиваются также теплостой- кость, износостойкость и коррозионная стойкость [10, 12, 13, 19, 20]. Легирование чистыми металлами (алюминием [6, 10, 12, 13, 29], кобальтом [10, 12, 13, 30], хро- мом [6, 10–13, 30, 31], никелем [6, 10–13, 30, 32] и др.), а также сплавами на их основе приводит к формированию пересыщенных твердых раство- 6 12/2013 ров и образованию интерметаллидов. Это способ- ствует значительному росту микротвердости и из- носостойкости легированных слоев, улучшает соп- ротивление коррозии и повышает другие физико- механические характеристики изделий. Так, напри- мер, лазерная обработка способствует повышению износостойкости в 1,5…3,0 раза при поверхностном упрочнении с последующим азотированием; дос- тигается наибольшая микротвердость и износостой- кость низкоуглеродистых сталей азотированием по- верхности, легированной алюминием [33]. Однако наличие повышенного содержания интерме- таллидов снижает пластичность и охрупчивает легированный слой, что может привести к его преж- девременному разрушению [6, 10, 17]. Наличие карбидов, боридов, силицидов, нит- ридов и их комбинаций в структуре материала позволяет существенно повысить его твердость и износостойкость, теплостойкость и коррозион- ную стойкость [6, 10–21, 34–36]. В частности, по- вышение износостойкости поверхностей трения деталей фрезерно-расточных станков с числовым программным управлением обеспечивается лазер- ным легированием с обмазкой (15 % Fe + 30 % Ni+ + 20 % B + 10 % Si + 25 % жидкого стекла) в атмосфере азота на режиме (q = 0,31⋅105 Вт/см2, v = 33 мм/с) [36]. При этом снижается износ штока и втулки соответственно в 3,44 и 3,21 раза. Ниже приведены примеры практического при- менения лазерного легирования стальных изделий различными материалами и смесями. Технология лазерного легирования освоена в ЗАО «Сибур- Химпром» (г. Пермь) для упрочнения поверхнос- ти деталей, работающих при различных видах из- носа [11]. В работах [11, 22, 37] показано, что в результате лазерного легирования композицией (B4C + Cr) на поверхности плунжеров насосно- компрессорного оборудования, изготовленных из сталей 10, 20, 15Х, 12ХН3А и 12Х2Г2НМФТ фор- мируются слои глубиной 0,15…0,25 мм. Микро- рентгеноспектральным анализом установлено [37], что после лазерной обработки происходит интенсивное насыщение поверхностных слоев ле- гирующими элементами, например, содержание хрома в слоях возрастает в 9…13 раз. В фазовом составе слоев присутствуют сильно пересыщен- ные твердые растворы на основе альфа и гамма модификаций железа, а также бориды и карбиды хрома и железа. Установлено, что скорость кор- розии легированных слоев уменьшается в 3…8 раз (соответственно для 573 и 1173 К), по срав- нению со скоростью коррозии слоев, не подвер- гавшихся обработке [11]. Испытания на износ в условиях трения скольжения показали, что изно- состойкость легированных слоев увеличилась в 1,5…7,0 раз по сравнению с необработанными ла- зерным излучением поверхностями [11, 22]. Та- ким образом было установлено, что использова- ние лазерного легирования позволяет увеличить срок службы деталей оборудования в 2…4 раза за счет повышения их служебных свойств [11, 22, 37]. Авторами работы [38] проводились исследо- вания по лазерному легированию стальной по- верхности молибденом для снижения величины износа разного инструментального оборудования. В ходе исследования молибден предварительно наносили на стальные поверхности плазменным напылением, а затем оплавляли с помощью не- прерывного излучения Nd:YAG-лазера. Для мо- ниторинга процесса использовали видеокамеру, оборудование для анализа звука и группу пиро- метров. Система мониторинга процесса исполь- зовала соответствующую среду для определения взаимодействия «пучок/материал». Например, благодаря использованию звукового анализа выб- росов, можно было качественно оценивать спады интенсивности при легировании. Измерение тем- пературы поверхности расплава с использованием пирометра позволило вносить корреляцию по со- держанию молибдена в легированные зоны, что играет важную роль и связано с получаемой тре- щиностойкостью и интенсивностью износа [38]. Среди многообразия инструментов особыми условиями работы выделяются разделительные штампы, матрицы и пуансоны которых подвер- гаются ударной нагрузке, высоким контактным давлениям, достигающим 1500 МПа при скорос- тях деформирования 0,1…5,0 м/с. В работах [39, 40] выполнены исследования закономерностей ударного износа рабочих поверхностей матриц и пуансонов разделительных штампов, изготовлен- ных из сталей У8 и Х12М, которые были леги- рованы смесями на основе соединений бора, крем- ния и углерода. Обеспечено внедрение разрабо- танных рекомендаций по лазерному борокарбо- силицированию в производство на заводе «Элек- тродеталь» и Брянском заводе технологического оборудования, в результате чего достигнуто по- вышение износостойкости инструментов в 1,5…3,0 раза [39]. Лазерное легирование деталей штамповой ос- настки для горячего деформирования (рис. 2) вы- полнено [41–44] во Фраунгоферовском институте (Fraunhofer Institut fur Produktions technologie IPT, Aachen). Авторами работы [41] установлено, что добавление при лазерном легировании в качестве легирующих элементов молибдена и карбида ва- надия значительно увеличивает твердость штам- пового инструмента и повышает жаропрочность, но не существенно влияет на износостойкость. Показано [41], что при дополнительном легиро- вании марганцем можно улучшить износостой- кость поверхностных слоев деталей, которые под- вергаются воздействию большой нагрузки. В ра- ботах [42–44] лазерное легирование стали 1.2365 12/2013 7 (X32CrMoV3-3) выполнено карбидом титана, кар- бидом вольфрама и кобальтом. Проведенные на- турные испытания позволили установить, что из- носостойкость штамповой оснастки, которая прошла лазерное легирование, повысилась на 67 % по сравнению с необработанной оснасткой [42–44]. Кроме этого, важным является то, что также возросло время эксплуатации оснастки пос- ле лазерного легирования, что также позволило сократить расходы и повысить объемы производ- ства [42–44]. На российских предприятиях г. Нижний Нов- город ООО «Гидротермаль» и ОАО «Инженерный центр» при изготовлении и обработке элементов конструкции энергетических установок типа шту- цер, фланец, втулка, поворотный клапан и других, изготавливаемых из стали 38Х2МЮА, использу- ется лазерное легирование смесями порошков хрома, молибдена, алюминия и (NH2)2CO, а также алюминия и (NH2)2CO [45, 46]. Установлено [45], что легированные зоны имеют тонкий слой ден- дритного строения. Это слой, обогащенный алю- минием и, вероятно, нитридом алюминия. При проведении испытаний установлено, что наиболь- шую износостойкость имеют не верхние слои, а расположенные на некоторой глубине. Авторы ра- боты [45, 46] предполагают, что это связано с диффузией азота во внутренние слои обрабаты- ваемой зоны и образованием нитридов алюминия. Износостойкость стали 38Х2МЮА после лазер- ного легирования смесью порошков увеличива- ется, причем смесь Cr–Mo–Al–(NH2)2CO обеспе- чивает повышение сопротивления поверхности износу в 6,5…9,5 раза, а смесь Al–(NH2)2CO уве- личивает износостойкость в 2,86…3,58 раза при- поверхностного слоя [45, 46]. Прессы для глубокой вытяжки, которые ис- пользуются для формирования стандартного лис- та металла в автомобильной промышленности должны выдерживать экстремальные нагрузки и даже после большого количества операций они должны сохранять свою точность и размеры. Рас- ходы на ремонт и потери продукции приводят к удорожанию этих изделий, поэтому существует заинтересованность промышленных пользовате- лей в увеличении срока службы инструмента. В зависимости от цели упрочнения при процессе лазерного легирования карбидом вольфрама по- верхности кузнечного инструмента, благодаря вы- сокой точности технологии лазерного легирова- ния, обеспечивается защита от износа металли- ческих инструментов в отдельных локальных зо- нах [47]. Во Фраунгоферовском институте в тес- ном сотрудничестве с компанией «HB Seissensch- midt AG» благодаря таким технологиям достига- ется увеличение сроков службы инструмента до 500 % по сравнению с традиционными методами обработки [47]. Исследование структуры и свойств большой номенклатуры деталей из сталей 45, У8А и 6ХС при лазерном легировании никелем, молибденом, хромом, бором и боридом вольфрама при неп- рерывном лазерном воздействии выполнено в ра- ботах [48–50]. Обнаружено влияние состава и толщины легирующей обмазки на формирование глубины зоны легирования [48]. Установлены оп- тимальные параметры [48–50], разработана и внедрена технология лазерного легирования на предприятиях различных отраслей (ОАО «Завод «Красное Сормово», ОАО «Павловский автобус», ОАО «Горьковский металлургический завод», ОАО «Выксунский металлургический завод», ОАО «Нижегородский авиастроительный завод «Сокол»). Благодаря использованию технологии лазерного легирования в 1,5…2,0 раза возросла износостойкость поверхностного слоя изделий (ножи, скалки, оси, втулки и др.) при одновре- менном снижении затрат на используемые мате- риалы [48]. Выводы 1. Перспективность применения в различных от- раслях промышленности результатов лазерного поверхностного легирования отмечается многими авторами. Однако несмотря на несомненный на- учный и практический интерес лазерные техно- логии поверхностной обработки в настоящее вре- мя не получили должного развития и внедрения. Причиной этого является недостаточная изучен- ность общих закономерностей изменения свойств обрабатываемых сталей в зависимости от фазо- вого и структурного состояния при легировании различными материалами в условиях сверхвысо- ких скоростей нагрева и охлаждения, что сдер- живает разработку конкретных рабочих техноло- гий и рекомендаций прикладного характера. Рис. 2. Лазерное легирование элементов штамповой оснастки для горячего деформирования, изготовленных из стали 1.2365 (X32CrMoV3-3) [42] 8 12/2013 2. Работы, выполненные в области лазерного легирования стальных изделий, часто были нап- равлены на решение локализованной задачи по- вышения эксплуатационных характеристик отдельно взятого материала или деталей из него. Поэтому полученные разными авторами резуль- таты не поддаются систематизации из-за сущес- твенных различий в схемах и условиях про- ведения исследований. Во многом это объясняется отсутствием принципов управления структурооб- разованием при формировании в поверхностном слое сталей структуры, обеспечивающей высокий уровень характеристик конструкционной проч- ности, которые лежат в основе разработки таких технологий. 1. Петренко К. П. Структурная модель проектирования уп- рочняющих технологических процессов, обеспечиваю- щих заданное качество поверхностного слоя // Упрочня- ющие технологии и покрытия. — 2013. — № 1. — С. 7–9. 2. Влияние предварительной подготовки поверхностей изде- лий на качество покрытий, полученных лазерной наплав- кой / М. Д. Павлов, Т. В. Тарасова, А. П. Назаров, А. А. Окунькова // Там же. — 2012. — № 12. — С. 31–34. 3. Экономическая эффективность высоких технологий на примере лазерного производства / Ю. Ф. Назаров, А. В. Иванайских, П. В. Точилин, И. В. Сорокина // Свароч. пр-во. — 2010. — № 3. — С. 48–50. 4. Модифицирование структуры композиций с защитными покрытиями путем легирования и высокоэнергетическо- го воздействия / Ю. Н. Сараев, В. П. Безбородов, В. Г. Дураков и др. // Там же. — 2012. — № 12. — С. 10–13. 5. Гуляев А. П. Металловедение. — 6-е изд. — М.: Метал- лургия, 1986. — 544 с. 6. Чудина О. В. Комбинированные технологии поверхност- ного упрочнения конструкционных сталей: Автореф. дис. … д-ра техн. наук. — М.: Моск. гос. автомобил.-до- рож. ин-т, 2003. — 46 c. 7. The effect of main alloying elements on the physical proper- ties of Al–Si foundry alloys / F. Stadler, H. Antrekowitsch, W. Fragneretal // Materials Sci. and Eng. — 2013. — № 560. — P. 481–491. 8. Anandan S., Pityana L., Majumdar J. D. Structure property correlation in laser surface alloyed AISI 304 stainless steel with WC + Ni + NiCr // Ibid. — 2012. — Vol. 536. — P. 159–169. 9. Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1990. — 528 с. 10. Григорьянц А. Г., Шиганов И. Н., Мисюров А. И. Техно- логические процессы лазерной обработки. — М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2006. — 664 с. 11. Калашникова М. С. Повышение служебных свойств по- верхности конструкционных низкоуглеродистых сталей методом лазерного легирования: Автореф. дис. … канд. техн. наук. — Екатеринбург: Перм. гос. техн. ун-т, 2003. — 16 с. 12. Технологические лазеры: Справочник: В 2 т. / Г. А. Абильсиитов, В. С. Голубев, В. Г. Гонтарь и др. / Под общ. ред. Г. А. Абильсиитовa. — М. : Машиностроение, 1991. — Т. 1. Расчет, проектирование и эксплуатация, 1991. — 432 с. 13. Коваленко В. С., Головко Л. Ф., Черненко В. С. Упрочне- ние и легирование деталей машин лучом лазера. — Ки- ев: Техніка, 1990. — 192 с. 14. Бураков В. А., Бровер Г. И., Буракова Н. М. Повышение теплостойкости быстрорежущих сталей лазерным леги- рованием // Металловедение и терм. обработка мет. — 1985. — № 11. — С. 2–6. 15. Лихошва В. П., Шатрава А. П., Бондарь Л. А. Лазерное легирование узлов трения // Процессы литья. — 2007. — № 3. — С. 35–37. 16. Application of high power diode laser (HPDL) for alloying of X40CrMoV5-1 steel surface layer by tungsten carbides / L. A. Dobrzanski, M. Bonek, E. Hajduczek, A. Klimpel // J. of Mat. Proc. Tech. — 2004. — № 155-156. — C. 1956–1963. 17. Лазерні технології та комп’ютерне моделювання / Під ред. Л. Ф. Головка та С. О. Лук’яненко. — Київ: Вістка, 2009. — 296 с. 18. Zhong M., Liu W., Zhang H. Corrosion and wear resistance characteristics of NiCr coating by laser alloying with powder feeding on grey iron liner // Wear. — 2006. — 260, Issues 11-12. — P. 1349–1355. 19. Microstructure, microhardness, composition, and corrosive properties of stainles ssteel 304 I. Laser surface alloying with silicon by beam-oscillating method / Y. Isshiki, J. Shi, H. Nakai, M. Hashimoto // Applied Physics A. — 2000. — 70, Issue 4. — P. 395–402. 20. Majumdar J. D. Development of wear resistant composite surface of mild steel by laser surface alloying with silicon and reactive melting // Mater. Lett. — 2008. — Vol. 62. — P. 4257–4259. 21. Consolidation phenomena in laser and powder-bed based layer in manufacturing / J.-P. Kruth, G. Levy, F. Klocke, T. H. Childs // CIRP Annals — Manufacturing Technology. — 2007. — 56, Issue 2. — P. 730–759. 22. Игнатов М. Н., Калашникова М. С., Белова С. А. Влия- ние температурно-временных параметров на структуру и свойства поверхностного слоя конструкционных сталей после лазерного легирования // Вестн. ПГТУ: Механика и технология материалов и конструкций. — 2002. — № 5. — С. 154–159. 23. Гаращук В. П. Основи фізики лазерів. Лазери для термічних технологій. — Київ: ІЕЗ ім. Є. О. Патона, 2005. — 244 с. 24. Бирюков В. П. Влияние распределения плотности мощ- ности лазерного луча на повышение износостойкости поверхностей трения // Вестн. машиностроения. — 2008. — № 3. — С. 33–36. 25. Майоров В. С., Матросов М. П. Влияние поверхностно- активных веществ на гидродинамику лазерного легиро- вания металлов // Квантовая электроника. — 1989. — 16, № 4. — С. 806–810. 26. Лазерные технологии обработки материалов: современ- ные проблемы фундаментальних исследований и прик- ладных разработок / Под ред. В. Я. Панченко. — М.: Физматлит, 2009. — 664 с. 27. Закономірності формування азотованих шарів комбіно- ваною лазерно-хіміко-термічною обробкою сталей / М. В. Кіндрачук, Н. В. Іщук, Л. Ф. Головко, М. В. Писа- ренко // Металознавство та обробка металів. — 2007. — № 1. — С. 31–35. 28. Вплив термоциклювання на триботехнічні властивості боридних шарів, одержаних лазерним легуванням / М. В. Кіндрачук, О. І. Дудка, Ю. Г. Сухенко, Я. М. Михайло- вич // Наук. пр. Українського держ. ун-ту харчових тех- нологій. — 2001. — № 10. — С. 74–75. 29. A combined hot dip aluminizing/laser alloying treatment to produce iron-rich aluminide on alloy steel / M. Emami, H. R. Shahverdi, S. Hayashi, M. J. Torka // Metallurgical and Ma- terials Transactions A. — 2013. — № 2. — P. 1–9. 30. Бирюков В. П. Лазерное упрочнение и легирование // Фотоника. — 2011. — № 3. — С. 34–37. 31. Leech P. W., Batchelor A. W., Stachowiak G. W. Laser surfa- ce alloying of steel wire with chromium and zirconium // J. of Materials Sci. Letters. — 1992. — 11, Issue 16. — P. 1121–1123. 32. Тарасова Т. В. Перспективы использования лазерного излучения для повышения износостойкости коррозион- но-стойких сталей // Металловедение и терм. обработка металлов. — 2010. — № 6. — С. 54–58. 33. Формування покриттів триботехнічного призначення комбінованою, лазеро-хіміко-термічною обробкою / О. А. Корнієнко, М. С. Яхья, Н. В. Іщук, В. М. Писарен- 12/2013 9 ко // Проблеми тертя та зношування: наук.-техн. зб. — Київ: НАУ, 2008. — Вип. 49, Т. 2. — С. 61–65. 34. Thawari G., Sundarararjan G., Joshi S. V. Laser surface al- loying of medium carbon steel with SiC(P) // Thin Solid Films. — 2003. — Vol. 423. — P. 41–53. 35. Dobrzanski L. A., Bonek M., Labisz K. Effect of laser surface alloying on structure of a commercial tool steel // J. of Mic- rostructure and Materials Properties. — 2013. — 8, Issue 1/2. — P. 27–37. 36. Лазько Г. В. Особливості структуроутворення та шляхи підвищення властивостей бар’єрних шарів на ко- розійнотривких сталях, сформованих лазерним легуван- ням: Автореф. дис. … канд. техн. наук. — Донецьк: ДНТУ, 2009. — 21 с. 37. Коррозионная стойкость поверхностных слоев конструк- ционных сталей после лазерной обработки / М. С. Ка- лашникова, С. А. Белова, Ю. А. Мазепина, М. Н. Игна- тов // Физ. и химия обработки материалов. — 2003. — № 2. — С. 34–39. 38. Haferkamp H., Bach F.-W., Gerken J. Laserstrahl-legieren plasmagespritzter molybdanschichten in stahloberflachen zur erhohung des verschleisswiderstandes // Metall. — 1995. — 49, Issue 7-8. — P. 516–522. 39. Жостик Ю. В. Исследование ударного изнашивания раз- делительных штампов и повышение их стойкости лазер- ным легированием: Автореф. дис. … канд. техн. наук. — Брянск: Брянская гос. инж.-технологич. академия, 1998. — 18 с. 40. Инютин В. П., Колесников Ю. В., Жостик Ю. В. Влия- ние лазерного борирования на контактные деформации стали 45 при ударно-циклическом нагружении // Элект- ронная техника. — Сер.6. Материалы. — 1986. — Вып. 4 (215). — С. 77–78. 41. New developments in surface technology: laser alloying using Mo/VC and Mn / F. Klocke, L. Rozsnoki, T. Celiker, W. Koеnig // CIRP Annals — ManufacturingTechnology. — 1996. — 45, Issue 1. — P. 179–182. 42. Klocke F., Auеr O., Hamers M. Verschleibreduzierung bei schmiedewerkzeugen // Maschinenmarkt, Wuerzburg. — 1998. — 104, Issue 34. — P. 32–33. 43. Klocke F., Auеr O., Hamers M. Verschleibschutz von War- mumformwerkzeugen // VDI-Z Integrierte Produktion Spe- cial. — 2002. — № 2. — P. 67–69. 44. Klocke F., Auer O., Hamers M. Laser scan help protect tools // Quelle diecasting world. — 2000. — № 6. — P. 18–21. 45. Кастро В. А. Разработка технологии лазерного терми- ческого упрочнения и легирования сталей для энергети- ческого машиностроения с целью повышения эксплуата- ционного ресурса изделий: Автореф. дис. … канд. техн. наук. — Нижний Новгород: Нижегор. гос. техн. ун-т им. Р. Е. Алексеева, 2012. — 23 с. 46. Особенности формирования структуры сталей при ла- зерном термическом цикле / В. А. Кастро, Г. Н. Гаври- лов, И. Брауэр, Е. С. Беляев // Заготовительные произ- водства в машиностроении. — 2011. — № 12. — С. 38–41. 47. Werkzeuge harten senkt die Kosten [Електронний ресурс] — Режим доступу:http://www.archiv.fraunhofer.de/ar- chiv/alte%20jahresberichte/pflege.zv.fhg.de/german/ publi- cations/jahresber/jb1997/f_oberfl.html. 48. Гаврилов Г. Н. Разработка и освоение технологий повер- хностного термического упрочнения и наплавки метал- лических материалов лазерным излучением: Автореф. дис. … д-ра техн. наук. — Н. Новгород: Нижегор. гос. техн. ун-т, 2000. — 35 c. 49. Гаврилов Г. Н., Горшкова Т. А., Федосеев В. Б. Влияние термохимических эффектов на процесс лазерного леги- рования // Изв. Инж.-технолог. акад. Чувашской респуб- лики: объединен. науч. журн. — 1997. — № 3-4. — С. 118–121. 50. Гаврилов Г. Н., Горшкова Т. А., Дубинский В. Н. Иссле- дование износостойкости стали 45 после лазерного леги- рования // Там же. — 1998. — № 1-2. — С. 122–125. Поступила в редакцию 02.09.2013 Международная научно-техническая конференция «СВАРОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ» 16–18 июня 2014 г. в Институте электросварки им. Е. О. Патона (г. Киев) состоится Международная научно-техническая конференция «Сварочные материалы». Организаторы: • Институт электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины • Ассоциация «Электрод» предприятий стран СНГ • Международная ассоциация «Сварка» На конференции предполагается обсудить актуальные вопросы разработки, производства и про- мышленного применения сварочных и наплавочных материалов, включая покрытые электроды, прово- локи порошковые и сплошного сечения, ленты, флюсы, порошки. Планируется издание сборника по итогам работы конференции. Для участия в работе конференции необходимо до 1 марта 2014 г. прислать заявку на адрес: office@association-electrode.com или journal@paton.kiev.ua. Контакты: 03680, г. Киев, ул. Горького, 54, Дирекция Ассоциации «Электрод». Тел.: +38 (044) 200-63-02, +38 (044) 200-82-77, +38 (044) 200-80-62. Факсы: +38 (044) 287-72-35, +38 (044) 200-82-77. 10 12/2013
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-103142
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
language	Russian
last_indexed	2025-11-24T11:44:16Z
publishDate	2013
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
record_format	dspace
spelling	Бернацкий, А.В. 2016-06-14T11:04:36Z 2016-06-14T11:04:36Z 2013 Лазерное поверхностное легирование стальных изделий (Обзор) / А.В. Бернацкий // Автоматическая сварка. — 2013. — № 12 (727). — С. 3-10. — Бібліогр.: 50 назв. — рос. https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/103142 621.785.5: 621.9.048.7 Выполнен анализ литературы, посвященной лазерному поверхностному легированию стальных изделий. Исследованы процессы, происходящие при формировании структуры поверхностных слоев при лазерном легировании сталей. Приведены примеры практического применения лазерного поверхностного легирования сталей различными материалами и смесями. Показано, что при лазерном легировании обеспечивается возможность формирования поверхности стальных изделий, которые имеют высокий уровень твердости, теплостойкости, износостойкости, коррозионной стойкости и других физико-механических характеристик. Установлено, что работы, выполненные в этом направлении, не носили системного характера, а зачастую были направлены на решение локализованной задачи повышения эксплуатационных характеристик отдельно взятого материала или деталей из него. Поэтому полученные разными авторами результаты не поддаются систематизации из-за существенных различий в схемах и условиях проведения исследований. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Научно-технический раздел Лазерное поверхностное легирование стальных изделий (Обзор) Laser surface alloying of steel products (Review) Article published earlier
spellingShingle	Лазерное поверхностное легирование стальных изделий (Обзор) Бернацкий, А.В. Научно-технический раздел
title	Лазерное поверхностное легирование стальных изделий (Обзор)
title_alt	Laser surface alloying of steel products (Review)
title_full	Лазерное поверхностное легирование стальных изделий (Обзор)
title_fullStr	Лазерное поверхностное легирование стальных изделий (Обзор)
title_full_unstemmed	Лазерное поверхностное легирование стальных изделий (Обзор)
title_short	Лазерное поверхностное легирование стальных изделий (Обзор)
title_sort	лазерное поверхностное легирование стальных изделий (обзор)
topic	Научно-технический раздел
topic_facet	Научно-технический раздел
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/103142
work_keys_str_mv	AT bernackiiav lazernoepoverhnostnoelegirovaniestalʹnyhizdeliiobzor AT bernackiiav lasersurfacealloyingofsteelproductsreview

Лазерное поверхностное легирование стальных изделий (Обзор)

Institution

Similar Items