Металургія

Жигуц Ю.Ю., Талабірчук В.Ю., Марушка В.В.

Ужгородський національний університет, Україна

ОБРОБКА ПОВЕРХНІ ЗА ДОПОМОГОЮ СВС І ЛАЗЕРНОГО ПОВЕРХНЕВОГО ЗМІЦНЕННЯ

Одна з найважливіших народногосподарських проблем полягає у захисті поверхні від робочого середовища [1-3], і за рахунок цього збільшення часу експлуатації деталей. Вона може бути вирішена при поєднанні СВС (саморозповсюджувального високотемпературного синтезу) і лазерного поверхневого зміцнення. При лазерному поверхневому зміцненні важливою проблемою є зниження втрат променистої енергії за рахунок її відбиття оброблюваною поверхнею металу. У даному дослідженні, замість світлопоглинаючої фарби використовувалася суміш порошків Ti (68%), вуглецю у виді сажі (18%) і Fe (14% за масою). Ця суміш змочувалася розчином 2% латексу у бензині, наносилася на поверхню вуглецевої сталі марки 10 і 20 і підсушувалася на повітрі, утворюючи шар товщиною 200 або 500 мкм.

Термохімічні розрахунки показали, що у такій суміші практично весь Ti взаємодіє із вуглецем за рахунок безкисневого горіння, утворюючи карбід Ti. Надлишок вуглецю і дуже невелика кількість титану легують залізо, утворюючи рідку сталь евтектоїдного складу, яка в умовах швидкого охолодження перетворюється у тростит в шарах товщиною 80 мкм. Такі шари підпалювались променем CO₂-лазера безперервної дії із поздовжньою накачкою потужністю 850 Вт при щільності потужності 15–20 Вт·м^-2 (діаметр "плями" 0,3–1,0 мм), швидкість сканування 10–20 мм·с^-1.

На рис. показана типова мікроструктура металу у поперечному перерізі зміцненого шару, отриманого при захисті Ti від окислення повітрям у нанесеному шарі суміші, аргоном (~ 0,5 л·с^-1). Товщина легованого шару ~500 мкм. Зміцнений поверхневий шар складається з ~50% частинок TiC і ~50% (за об'ємом) інструментальної вуглецевої сталі типу У8.

На рис. двома вертикальними стрілками показано, що дві частинки TiC під час свого синтезу "пропалили" сталь із високим локальним виділенням тепла і глибоко вкоренилися у зв'язку. Видно також, що в зоні інтенсивного теплового впливу мікроструктура сталі набула дуже дрібної стовпчастої будови із невеликим нахилом тонких дендритів (які майже не мають гілок) у сторону, протилежну напряму сканування променем лазера. Нахиленою світлою стрілкою (зверху, рис.) показано напрям, вздовж якого вимірювалась мікротвердість алмазною пірамідою.

Рис. Мікроструктура зміцненого шару із напівоплавленими частинками TiC

У напівоплавленій зоні видно високотверді (~HV 2000) карбіди TiC, які займають до 50% об'єму всього шару сталі. Як показали дослідження, мікротвердість карбідів TiC майже у десятки разів вища твердості сталі.

Таким чином, вдалося організувати СВС-процес у поверхневому, порівняно тонкому шарі за рахунок використання технології лазерного поверхневого зміцнення одночасно для нагріву, оплавлення і навуглецьовування заліза та для оплавлення частинок Ti і його "горіння" у вуглеці із утворенням карбідів TiC.

Адіабатична температура безкисневого горіння такої суміші Ti-C дорівнює 3200 K. Фактична температура горіння вибраної суміші 68%Ti +18%C+14%Fe (% у масових частках) перевищує 1850 K, що забезпечує утворення на поверхні сталі твердо-рідкого шлікера типу розплав-TiC із великим інтервалом ліквідус-солідус. Утворення шлікера замість однофазного розплаву позитивно впливає на якість поверхні зміцненого шару після його повного твердіння і охолодження, а також на утримування цього шару навіть на нахилених площинах. Важливо відмітити, що при вказаному безкисневому горінні ніяких неметалічних фаз і їх вкраплень не утворюється. Зварювання зміцненого шару з основним металом отримується "металургійно", виключаючи необхідність пайки або інших способів з'єднання одного сплаву (наприклад, інструментального) з іншими (наприклад з основою різця) [3-5].

Висновки. Суміщення лазерного поверхневого зміцнення і СВС у одній операції дозволяє вирішити цілий комплекс технічних завдань по отриманню високотвердих матеріалів типу карбідосталі і твердих сплавів на поверхні металу. Новий комплексний технологічний процес дозволяє нарощувати зношені поверхні деталей машин, апаратів і приладів на висоту 0,5 мм.

ЛІТЕРАТУРА

1. Жигуц Ю.Ю. Синтез матеріалів металотермією та СВС-процесами//Вісті Академії інженерних наук України. − Київ. − АІН України, нац. техн. ун-тет України „КПІ”. − 2007. − №2 (32). − С. 32−39.

2. Жуков А.О., Жигуц Ю.Ю., Шиліна Е.П., Мажумдар Дж. Дата. Комбінована обробка за допомогою лазерного поверхневого зміцнення і саморозповсюджувального високотемпературного синтезу//Науковий вісник УжНу. − Серія Фізика. − № 10. − Ужгород. − 2001. − С. 31–34.

3. Zhiguts Yu. Špeciálna termitova liatiina//Výrobné inžinierstvo. Košice. − 2007. − r. 6. − N 2, s. 45-48.

4. Жигуц Ю.Ю., Жуков А.А. Новітні технології виготовлення та зміцнення деталей із використанням СВС-процесів//Восточно-европейский журнал передовых технологий. − Харьков. − Техн. Центр. − 2007. − №1 (25). − С. 32−38.

5. Zhiguts Yu.Yu., Shurokov V.V. Carbide steels synthesized by metallothermy/Materials Science. Springer. New York. − 2005. − V. 41. №5. − P. 666−672.