WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 4 05;07;11;12 Образование сверхтвердых структур и фазовые превращения углерода, происходящие в приповерхностном слое чугуна при лазерном воздействии © Г.И. Козлов Институт проблем механики РАН, 117526 Москва, Россия (Поступило в Редакцию 10 мая 2001 г. В окончательной редакции 20 августа 2001 г.) Представлены результаты экспериментального исследования нового явления — индуцированного медью образования сверхтвердых структур с микротвердостью от 2 · 1010 до 5 · 1010 Pa в приповерхностном слое чугуна при лазерной обработке поверхности серого чугуна, покрытого тонким слоем индуктора-меди.

Показано, что под воздействием меди происходят насыщение приповерхностного слоя чугуна углеродом и образование глобулярного (и даже сферического) по форме углерода. Проведен элементный анализ и получен спектр комбинационного рассеяния глобул углерода. На основании анализа спектров и сопоставления их со спектрами других структур углерода обоснована идея, в соответствии с которой при лазерной обработке поверхности чугуна графит в приповерхностном слое чугуна превращается в пироуглерод, обладающий высокой твердостью. Высказаны соображения о возможном механизме этого процесса.

Лазерная закалка является одним из наиболее эффек- ствлялось на экспериментальной установке, включаютивных методов упрочнения поверхности металлов и щей в себя непрерывный многолучевой газоразрядный сплавов. Ее отличительной особенностью является су- CO2 лазер с диффузионным охлаждением мощностью щественно неравновесный характер этого процесса, так 6kW [3], фокусирующую систему и специальную оснастку с системой управления, обеспечивающую сканировакак характерные времена перестройки кристаллической ние луча по обрабатываемой поверхности. В качестве структуры в металлах и сплавах в условиях лазерной обработки становятся соизмеримыми с временами нагре- фокусирующей системы использовалась соляная линза с фокусным расстоянием 1.1 m, которая могла перева и охлаждения. С физической точки зрения процесс мещаться вдоль оси лазерного луча, позволяя, таким упрочнения металлов и сплавов сводится к получению структур, затрудняющих протекание процессов пласти- образом, изменять размер пятна фокусировки и соответственно интенсивность лазерного излучения на обрабаческой деформации, т. е. к созданию препятствий для тываемой поверхности. Использование длиннофокусной движения дислокаций. В принципе этого можно достичь линзы позволило для многолучевого CO2 лазера полуразличными методами, в том числе образованием фачить достаточно однородное распределение интенсивнозовых неоднородностей в кристаллической структуре сти лазерного излучения по сечению луча в области металлов и сплавов, уменьшением размеров зерна, а фокусировки в центральной части луча с естественным также за счет создания более прочных и кристаллически спадом интенсивности на периферии.

совершенных структур.

Для реализации механизма индуцирующего воздейВ настоящей работе, первые результаты которой быствия на процессы фазовых превращений непосредственли опубликованы в [1,2], было обнаружено интересное но перед лазерной обработкой на обрабатываемую появление — индуцированное образование сверхтвердых верхность чугуна наносился тонкий слой меди. Выбор структур в приповерхностном слое чугуна при лазерной меди в качестве индуктора был вызван тем обстояобработке поверхности серого чугуна, предварительно тельством, что кристалическая структура меди, как и покрытой тонким слоем индуктора-меди. Здесь следуFe, имеет гранецентрированную кубическую решетку ет подчеркнуть, что явление индукции заключается в и поэтому следует ожидать сильного влияния меди на управляющем воздействии кристаллической структуры процессы фазовых переходов, структуру и свойства разиндуктора на развитие процессов фазовых превращений, личных структурных составляющих, а следовательно, и протекающих после лазерного воздействия в контактируна физико-механические характеристики приповерхностющих с индуктором приповерхностных слоях металлов ного слоя чугуна. После целого ряда попыток удалось и сплавов в ходе процесса их охлаждения.

разработать достаточно эффективную технологию нанесения тонкого слоя меди на поверхность чугуна с поЭкспериментальная установка мощью специальной обмазки, состоящей из медного порошка и эмульсии, хорошо поглощающей излучение COи методика исследования лазера. Обмазка легко наносилась на обрабатываемую Исследование структурных и фазовых превращений, поверхность и толщина ее в этой серии экспериментов протекающих в приповерхностном слое серого чугуна составляла 100-150 µm. После высыхания обмазки пропри таком специальном лазерном воздействии, осуще- изводилась лазерная обработка поверхности, при этом 6 82 Г.И. Козлов мощность лазерного излучения поддерживалась постоянной и равной 5.5 kW, а интенсивность излучения подбиралась такой, чтобы толщина оплавленного слоя была небольшой и соответственно перемешивание чугуна и меди в расплаве было незначительным. При указанной мощности луча это достигалось при пятне фокусировки, равном примерно 8 mm, и скорости сканирования луча по обрабатываемой поверхности 0.67 cm/s.

После лазерной обработки проводилось удаление поверхностного слоя меди фрезерованием на глубину 0.(1-я ступенька) и 0.9 mm (2-я ступенька). Затем для уменьшения влияния деформированной при фрезеровании зоны химическим травлением удалялся слой толщиРис. 1. Распределение микротвердости H по ширине d ной примерно 10 µm. Фрезерование обнажило зеркальупрочненной зоны. Вверху справа схематически представлен ную матрицу, в пределах которой, как показали дальнейобразец чугуна с дорожкой лазерного воздействия и указанием шие измерения, произошло образование сверхтвердых торцевой (1) и поверхностной (2) зон, в которых проводились структур в ходе процесса лазерной обработки поверхисследования состава, микроструктуры и микротвердости.

ности. Исследовался фазовый состав, микротвердость и микроструктура на поверхности ступенек зеркальной матрицы и на торцевой поверхности специально пригоданные о микротвердости большинства темных глобутовленных образцов.

лярных выделений, о чем пойдет речь ниже, не удается Фазовый состав, микроструктура и элементный соиз-за отсутствия оптического контраста в этих областях став исследовались рентгендифрактометрически (в мо(отпечатки алмазного индентора просто не видны на нохроматизированном Fe K-излучении) и в сканируютемном фоне). В более глубоком слое, на второй стущем электронном микроскопе CAMSKAN CS44C-100S пеньке, значения микротвердости были ниже, но и там с рентгеноспектральным энергодисперсионным анализана некоторых участках они сохраняли высокие значения тором LINC ISIS-L200D. Зона возбуждения составляла (1.3 · 1010-1.5 · 1010 Pa), практически недостижимые для примерно 0.3 mm2. Что касается измерения микротверпроцесса лазерного термоупрочнения, для которого тидости, то ее распределение по ширине дорожки лазерпичные значения микротвердости находятся в пределах ного воздействия определялось на приборе ПМТ-3 при 0.8 · 1010-1.1 · 1010 Pa [4].

нагрузке 0.1 kg. Отдельные измерения микротвердости Образование сверхтвердых структур при лазерной обпроводились также в областях с различным оптическим работке поверхности чугуна, покрытой тонким слоем контрастом.

меди, несомненно, связано с индуцирующим влиянием меди на механизм и кинетику фазовых превращений, протекающих в ходе процесса охлаждения чугуна после Исследование микротвердости, лазерного воздействия. Важно было определить струкфазового состава и микроструктуры турные составляющие, ответственные за высокие значезоны лазерного воздействия ния микротвердости. С этой целью был проведен анализ фазового состава.

Естественно наибольший интерес в начале работы При исследовании фазового состава дифракционная представляло измерение микротвердости матрицы. Рекартина обработанной зоны сравнивалась с дифрактозультаты измерений микротвердости по ширине зоны граммой из необработанной области, которая состояла зеркальной матрицы на первой ступеньке с шагом в основном из Fe, Fe3C и углерода. Дифрактограмма, 0.25 mm приведены на рис. 1. Из анализа представполученная на первой ступеньке из зоны зеркальной ленного распределения микротвердости следует, что вематрицы, свидетельствует о том, что фазовый состав личина микротвердости в пределах обработанной зоны соответствует смеси феррита, аустенита, цементита и неоднородна и на некоторых участках значения микроуглерода. По сравнению с необработанной зоной все твердости оказались рекордно высокими и достигали дифракционные отражения сильно размыты, что свидезначений от 2·1010 до 5·1010 Pa. Столь высокие значения тельствует о значительной дисперсности структуры этих микротвердости свидетельствуют об образовании сверх- фазовых компонент. Достаточно четкого расщепления твердых структурных составляющих. Максимальное зна- дифракционного отражения в интервале углов, соотчение микротвердости 5.15 · 1010 Pa было получено в ветствующих мартенситному дуплету, не наблюдается.

светло-сером образовании правильной геометрической В более глубоких слоях, на второй ступеньке, возрастает формы размером примерно 20 µm. При исследовании интенсивность отражения мартенситного дуплета и нев оптическом микроскопе можно выделить несколько сколько уменьшается уширение дифракционных отражеструктурных составляющих, отличающихся друг от друга ний. Из этих измерений следует довольно неожиданное не только цветом и формой, но и твердостью. Получить заключение о том, что упрочнение серого чугуна не Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. Образование сверхтвердых структур и фазовые превращения углерода... связано с образованием мартенсита. С другой стороны, индуцирующее влияние меди сводится, вероятно, к тому, что она действует как аустенитно-стабилизирующий фактор, снижая температуру превращения аустенита и благодаря этому значительно измельчая образующийся в процессе охлаждения перлит. Но измельчение зерен является лишь одной из причин, объясняющих упрочняющий эффект чугуна при лазерной обработке в условиях нашего эксперимента. Определить же структурные составляющие, ответственные за высокие значения микротвердости, с помощью анализа фазового состава не удалось. Но важно то, что он показал, что мартенсит образуется в небольших количествах и поэтому упрочнение серого чугуна при лазерной обработке поверхности, покрытой индуктором, не связано с его образованием.

Исследование микроструктуры образца проводилось на торцевой поверхности. На рис. 2 приведена микроРис. 3. Микроструктура приповерхностного слоя чугуна по структура зоны зеркальной матрицы, на которой достаглубине после лазерного воздействия.

точно хорошо выявлена граница проплавленной области, в пределах которой наблюдается значительное насыщение поверхностного слоя чугуна углеродом. Помимо черных выделений, связанных с углеродом, наблюдаются ца с дисперсной структурой, имеет толщину примерно темно-серые области с игольчатой структурой (вероятно, 200 µm. К нему примыкает переходный слой с незнабейнит) и светлые области феррита с округлыми дисчительным количеством выделений, толщиной примерно персными включениями цементита. По мере удаления 100 µm. И далее по глубине располагается светлый слой от поверхности характер микроструктуры изменяется.

с выделениями углерода глобулярной и пластинчатой Уменьшается число графитовых включений. Основной формы. Темный слой, как показал элементный анализ, структурной составляющей является пластинчатый персостоит в основном из углерода и меди, а переходный лит. Уменьшается число светлых ферритных областей, слой — из железа и углерода. В той точке переходного во внутренних объемах которых видны цементные выдеслоя, которая помечена на рисунке крестиком, конценления.

трация углерода составила 37.82%, железа — 58.56%, Для получения более детальных сведений о микрокремния — 2.88% и меди — 0.74%. Таким образом, из структуре приповерхностного слоя чугуна в зоне матрирезультатов проведенных исследований фазового состава цы было получено изображение микроструктуры тори микроструктуры матрицы следует, что индуцирующее цевой поверхности образца в растровом электронном влияние меди по отношению к серому чугуну сводится, микроскопе в центральной части зоны лазерного воздейво-первых, к значительному насыщению поверхностноствия. Микроструктура представлена на рис. 3, где дого слоя чугуна углеродом и, во-вторых, к аустенитностаточно четко просматриваются три слоя. Темный слой, стабилизирующему воздействию, приводящему к сущенепосредственно примыкающий к поверхности образственному снижению температуры превращения аустенита и благодаря этому к значительному измельчению образующихся в процессе охлаждения чугуна структур, включая карбиды и перлит.

Превращение графита в пироуглерод в приповерхностном слое чугуна при лазерной обработке Но какие же структурные составляющие ответственны за высокие значения микротвердости Пожалуй, единственной ”зацепкой”, позволяющей подойти к разгадке этого явления, остаются результаты анализа микроструктуры приповерхностного слоя чугуна, которые показали, что в зоне оплавления наблюдаются значительные выделения углерода, имеющего глобулярную форму. Это отчетливо видно на фотографиях микроструктуры чугуна Рис. 2. Микроструктура зоны зеркальной матрицы. 1 — граница расплавленной области. до лазерной обработки и после лазерного воздействия 6 Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 84 Г.И. Козлов Элементный анализ группы глобул показал, что часть из них состоит практически из чистого углерода, тогда как другая содержит примеси кремния (до 7.1%), хрома (до 4.5%), железа (до 1.1%) и кислорода (до 20.7%).

Такая разница в элементном составе различных глобул связана, по всей вероятности, с динамикой развития всей совокупности фазовых и диффузионных процессов за время лазерного воздействия, с увеличением которого концентрация примесей будет уменьшаться. Что касается кислорода, то его появление в некоторых глобулах, безусловно, связано с адсорбцией углеродом кислорода воздуха уже после изготовления шлифа и обнажения глобул. Таким образом, можно считать глобулы углеродными структурами, образовавшимися из расплава.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.