Лазерное легирование с использованием традиционных методов химико- термической обработки.

 Значительное повышение износостойкости инструмента может быть получено при применении традиционных методов химико-термической обработки, в том числе бори­рования, позволяющего получить наиболее высокие значения твёрдости поверхностного слоя. Однако существенным недостатком упрочнённого слоя является его повышенная хрупкость, что приводит к сколу слоя с рабочих кромок инструмента. Для устранения этого недостатка после диффузионного борирования следует проводить ЛО острых кромок инструмента. При лазерной обработке происходит выравнивание концентрации легирующего элемента по упрочнённому слою, обеспечивается более плавный переход твёрдости от поверхности к основе, что повышает его вязкость. Повысить вязкость поверхностно упрочнённого слоя можно и непосредственно за счёт лазерного легирования (табл. 20.9). Обработка проводилась лазером "Латус 31" мощностью 1000Вт. При этом диффузионные слои играют роль покрытий с большим коэффициентом поглощения. Боридные слои после ЛО становятся более плотными, твёрдость их возрастает.

Т а б л и ц а 20.9

Режимы обработки и свойства поверхностно упрочнённых слоёв сталей

У8, 6ХСи Х12М

Сталь	Режим (вид) обработки, предшествовавшей ЛО	Режим ЛО	Микротвёрдость по зоне упрочне­ния, HV	Вид инструмента
У8	Нанесение пасты, содер­жащей порошки бора и борида вольфрама (тол­щина слоя обмазки - 0,2 мм)	Лазерное леги­рование, плот­ность мощности q=0,24×10 Вт/см² vл=5-7 мм/с	~1100	Ножи, кусачки
6ХС	Нанесение пасты, содер­жащей порошки бора (толщина слоя обмазки-0,15 мм)	Лазерное леги­рование, плот­ность мощности q=0,23×10 Вт/см² vл=8 мм/с	1100/450(исходная твёрдость).	-
Х12М	Диффузионное борирова­ние с использованием паст БКБ-1, БКБ-2.	Лазерная закалка, плотность мощ­ности q=0,24×10³Вт/см² vл=12 мм/с	1800/1400 (исход­ная твёрдость).	Пуансоны штам­пов холодного деформирования.

 

 С целью повышения износостойкости режущего инструмента часто используется после объёмной термообработки цианирование или карбонитрация. Дополнительная лазерная обработка позволяет повысить механические и технологические свойства материала (табл.20.10).

 Та б л и ц а 20.10.

Микротвёрдость упрочненной зоны стали Р6М5

 

Сталь	режим предварительной  обработки	Изменение микротвёрдости Н, МПа ´10^-3 зубьев концевых фрез по глубине z, мкм зоны лазерного воздействия с плотностью энергии Е=0,57 Дж/мм²
Р6М5		Исх.	0	200	300	400	500	600	700
	Объёмная СТО+цианирование	7,-8,0	10,0	9,8	9,5	9,3	9,0	8,3	7,8
Примечание: СТО - стандартная термическая обработка стали Р6М5

 

Температура теплостойкости стали Р6М5 составляет 620ºС, лазерная закалка позволяет её поднять в зависимости от плотности энергии на ~12,5ºС.

Лазерная термическая обработка после стандартной СТО и цианирования повышает износостойкость инструмента при обработке стали 30ХН2МА в 1,8-2 раза по сравнению с инструментом не прошедшим лазерную закалку.

20.1.3.Ионно-вакуумное азотирование и нитроцементация

Наряду с традиционным печным азотированием (технологии которого требуют использования специальных марок сталей, легированных Al,Mo,Cr и др. элементами) широко применяются в настоящее время способы ионно-вакуумного азотирования, технология которых позволяют осуществлять упрочняющую обработку более широкого круга легированных сталей. Азотирование в плазме дугового газового разряда имеет ряд преимуществ по сравнению с печным азотированием и азотированием в тлеющем разряде. Основанные на применении дугового газового разряда низкого давления (0,1- 1Па) и,следовательно, характеризуемые

Пониженным содержанием остаточного кислорода в рабочей камере, реализуются без использования аммиака или или смесей азота с водородом, т.е. осуществляется в чистом азоте, что обеспечивает качественную очистку обрабатываемой поверхности, интенсификацию диффузионных процессов, сокращение времени азотирования. Для этого используется плазмогенератор на основе дугового газового разряда низкого давления с термокатодом., позволяющего получать газовую плазму с ывсокой концентрацией и однородностью в больших вакуумных объемах. Азотирование сталей 27Г2, 25Х5М и Р6М5, образцы которых предварительно шлифовались осуществляли в следующей последовательности. Вакуумную камеру откачивали до давления 6.10 Па, затем включали плазмогенератор и производили очистку образцов в плазме аргона при давлении1.10 Па (на образцы подавался отрицательный потенциал смещения U =600В. Затем аргон сменялся на азот, процесс азотирования проводился при давлении азота 2,4.10 Па. Результаты исследования азотированных образцов представлены в табл.20.11

Т а б л и ц а 20.11.

Свойства азотированных слоев сталей 37Г2С и 25Х5М после химико- термической обработки

Марка стали	Режим  азотирования	Твердость и глубина азотированных слоев		Время до появления очагов точечной коррозии при воздействии паров NaCl
		Толшина слоя, мкм	HV	17часов (исходное состояние)
37Г2С	Печное азотирование T-550°C, τ=11часов	250-300	450-500	-
	Ионно- плазменное азотирование T-380°C, τ=3часа	110	470	-
	Ионно- плазменное азотирование T-550°C, τ=3часа	270	520	28 дней
25 Х5М	Печное азотирование T-550°C, τ=11часов	300	800	-
	Ионно- плазменное азотирование T-550°C, τ=3часа	150	820	-

 

Сравнение эффектов упрочнения стали 37Г2С после азотирования по стандартным и предлагаемым методам показало, что время процесса сокращается более,чем в 3 раза, глубина слоя и его микротвердость соответствуют требованиям, предъявляемым к муфтам HKT для нефтедобывающей промышленности. При этом обеспечивается и необходимая коррозионная стойкость стали. Полученные результаты говорят о возможности получения требуемых свойств на стали 25Х5М после азотирования по предлагаемой технологии (микротвердость ~800HV, толщиной до300мкм).

Таким образом ионно-плазменное азотирование в дуговом плазмогенераторе является эффективным методом упрочняющей обработки легированных сталей.Результаты ионно- плазменного азотирования стали Р6М5 представлены в табл.20.12.

Таблица 20.12

Свойства азотированного слоя стали Р6М5 после химико- термической обработки

Образец	температура азотирования, °C	Время,τ 3часах	HV
1	380	1	1050
2	380	3	1115
3	470	1	1253
4	470	3	1153
5	550	1	1370
6	550	3	1238

 

Низкотемпературное цианирование в безводородной плазме в продуктах диссоциации ферроцианидов - Fe(СN)  позволяет не только повысить износостойкость, но и ударную вязкость быстрорежущих сталей по сравнению с азотированием в аммиаке. (табл.20.13)

 

Т а б л и ц а 20.13.

Свойства быстрорежущих сталей после химико- термической обработки

Марка стали	Режим азотирования, °С	Относительная износостойкость, U	КС, МДж/м²
Р6М5ФМП	540 560 580	0,37/0,59 1,07/1,0 1,37/0,322	0,6/0,5
Р6М5	540 560 580	0,23/- 0,17/- 0,28/-	0,7/0,5 0,7/0,5 0,5/0,4
Р0М2Ф3МП	540 560 580	1,17/0,66 1,49/0,61 3,37/0,55	0,7/0,6

 

Примечание: в числителе приведены данные после обработки в парах ферроцианидов, в знаменатеое после обработки в аммиаке.

Применение нитроцементации ограничивается вследствие образования ядовитых цианистых соединений в процессе её проведения. Использование ванны состава Na CO ~17%, K  CO (30-60%), (NaCl) - 23-51,4%; 3-10% Si N позволяет проводить процесс нитроцементации без образования ядовитых цианистых соединений. Кратковременная нитроцементация при температуре 540-560°С, позволяет получить упрочненный слой твердостью HV=1150-1200, глубиной 0,01-0,03мм.