Лазерное легирование и азотирование конструкционных сталей

 

Повышение прочности сталей и сплавов может быть получено путем создания оптимальных структур направленными технологическими воздействиями в том числе при лазерном легировании стальной поверхности нитридообразующими элементами и последующем азотировании (ЛХТО).

Насыщение поверхности стали 20 нитридообразующими элементами (V,Cr, Мo,Al) осуществлялось в непрерывном режиме излучения на СО -лазере, толщина зоны легирования 500-600 мкм. Азотирование проводилось при 540-570°С в среде аммиака. Испытание на одноосное растяжение производилось на плоских образцах, на которые наносились перекрывающиеся лазерные дорожки с обеих сторон таким образом, чтобы объём необработанной сердцевины не превышал 30% от всего объема образца. Механические свойства стали 20 после ЛХТО приведены в табл.20.6

Та б л и ц а 20.6

Механические свойства стали 20 после лазерного легирования и азотирования.

Вид обработки	Механические свойства
	σв,Мпа	σо,2МПа	Твердость Н, МПа
Нормализация	420	300	1800
лазерное легирование Al лазерное легирование Al+азотирование лазерное легирование Мо лазерное легирование Мо+азотирование лазерное легирование Cr лазерное легирование Сr+азотирование лазерное легирование V лазерное легирование V +азотирование	460 390 570 600 550 870 530 900	430 310 460 500 510 650 500 700	5000 21000 12500 13000 7500 15500 7600 7800

 

При лазерном легирование стали 20 исследуемыми элементами в поверхностном слое твердость повышается. Оптимальное соотношение прочности и твердости получено при лазерном легирование V +азотирование.Высокий уровень упрочнения стали можно объяснить следующими причинами:

- твердорастворным упрочнением в результате введения легирующих элементов (лэ) при лазерном нагреве, что увеличивает растворимость азота в феррите и дает дополнительный эффект упрочнения (табл.20.7,20.8).

- дислокационным упрочнением, возникающем при лазерной обработке, вследствие образования ячеистой структуры с высокой плотностью дислокаций.

- зернограничным упрочнением, вызванном измельчением зерна при лазерной обработке (табл.20.7)

-дисперсионным упрочнением нитридными частицами (табл.20.8).

Т а б л и ц а  20.7.

Экспериментальные значения микротвердости и расчетные значения прироста предела текучести при лазерном легировании стали 20 вследствие различных механизмов упрочнения после ЛХТО.

ЛЭ	С*ЛЭ, %	НЛХТО, МПа	d, мкм	Ds^ЛХТОМпа
V Cr Al Mo	17 15 5 8	6300 6500 4500 10000	2.0 2.0 5.0 1.5	1761 2160 1145 2384

 

Примечание: С*_{ЛЭ, %}- концентрация легирующих элементов в феррите; d, мкм- размер зерна; Ds^ЛХТОМпа- прирост предела текучести при лазерном легировании.

 

Т а б л и ц а 20.8.

Экспериментальные значения микротвердости Н зон ЛХТО после азотирования при 570⁰С в течении 1.5 ч в среде аммиака. Экспериментальные значения микротвердости азотированных зон ЛХТО после азотирования и последующего старения.

ЛЭ	НЛХТО+аз МПа	[N],%	Нитрид	Н, МПа	СЛЭ,%	С^аЛЭ, %	Ds^MeNд.у., Мпа	(Ds^Nт.р)*, МПа	Dsаз+стар. Мпа
V Cr Mo Al	18500 16000 11000 21000	3.7[7] 1.9[7] 0.8[7] 0.05[9]	VN Cr2N Mo2N -	21000 18000 13500 -	17 15 8 -	1.7 11.25 5.6	18265 8590 4582	2989 4250 3455	212554 12840 8037

 

 Примечание: С^а_ЛЭ, %- концентрация легирующих элементов в феррите после азотирования; Ds^MeN_д.у., Мпа –при рост предела текучести за счет образования нитридов; Ds^N_т.р)*, МПа- при рост предела текучести после выделения нитридов.

 

Поверхностное упрочнение стали 20 лазерным легированием нитридообразующими элементами и последующим азотированием позволяет не только повысить твердость и характеристики статической и циклической трещиностойкости по сравнению с нормализованной сталью 20, но и повысить износостойкость в 1,5-3 раза по сравнению с азотированной сталью 38Х2МЮА.

Лазерная химико-термическая обработка включает помимо  лазерного легирования, традиционную химико-термическую обработку + лазерную обработку, нанесение покрытий методом физического или химического осаждения с последующей лазерной обработкой.