Разработка технологии лазерного термического упрочнения и легирования сталей для энергетического машиностроения с целью повышения эксплуатационного ресурса изделий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.01, кандидат технических наук Кастро Вилсон Албейро

• Кастро Вилсон Албейро
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кастро Вилсон Албейро

Введение.

Глава 1 Анализ литературных данных по состоянию рассматриваемого вопроса.

1.1. Существующие и перспективные технологии изготовлении изделия с использованием высокого энергетического способа обработки.

1.2. Физические основы взаимодействия лазерного излучения с металлическими материалами.

1.3. Влияние технологических параметров лазерного излучения на фазовые превращения и формирование структуры металлических материалов.

1.4. Лазерные технологические установки для обработки металлических. изделии.

1.5. С02-Лазеры.

1.6. Лазерное легирование.

1.7. Применения лазерных технологий для обработки поверхности изделий в промышленности.

1.8. Обобщение научной и технической информации по рассматриваемому вопросу и обоснование задачи и цели исследования.

Глава 2 Материалы, оборудование и методы проведения

- 42 исследовании.^

2.1. Обоснование выбора материалов для исследования.

2.2. Характеристики лабораторного и технологического оборудования, используемого в работе.

2.3. Приготовление образцов для испытания, измерения и изучения.

2.4. Разработка и изготовление специальной оснастки для определения износостойкости материалов после лазерной обработки.

2.5. Методы определения изменения коррозионной стойкости образцов.^б

2.6. Статистические и математические методы обработки результатов испытаний и исследовании.

2.7. Расчеты и компьютерное моделирование температурных полей для лазерной термической обработки.

Глава 3 Формирование микроструктуры и свойств при лазерной обработке в непрерывном режиме лазерного излучения.

3.1. Исследование строения, величины и свойств зон термической обработки для стали марки .^

3.2. Исследование строения, величины и свойств зон термической обработки для стали марки 12Х18Н10Т.

3.3. Исследование строения, величины и свойств зон термической обработки для стали марки 38Х2МЮА.

3.4. Исследование строения, величины и свойств зон термической обработки для стали марки 08Х14Н5М2ДЛ (ВНЛЗ).»/

3.5. Исследование строения, величины и свойств зон термической обработки для стали марки

3.6. Исследование строения, величины и свойств зон термической обработки для стали марки 38Х2Н2МА.

3.7. Исследование строения, величины и свойств зон лазерного легирования для стали марки 38Х2МЮА, легированной смесью порошков Сг, Мо, А1,

Ш2)2СО.

3.8. Исследование строения, величины и свойств зон лазерного легирования для стали марки 38Х2МЮА, легированной смесью порошков А1,

3.9. Исследование фазового состава и тонкой структуры материалов образцов.

3.10. Испытание коррозионостойкости стали после лазерной обработки.

3.11. Закономерности поведения предельной удельной энергии деформации

3.12. Оценка градиента неравномерности твердости.

3.13. Выводы по главе 3.

Глава 4. Разработка программного обеспечения для определения микротвёрдости материалов, с использованием цифровой обработки фотографий поверхности с отпечатками.

Глава 5 Производственное освоение разработанной лазерной технологии обработанных поверхностей.^

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка технологии лазерного термического упрочнения и легирования сталей для энергетического машиностроения с целью повышения эксплуатационного ресурса изделий»

Актуальность работы

Одной из актуальных проблем энергетического машиностроения является разработка эффективных технологий обработки, позволяющих обеспечить деталям требуемые свойства рабочих поверхностей. Применение лазерных технологий способствует улучшению износостойкости, коррозионной стойкости, снижению времени длительности химико-термической обработки и других технологических характеристик, которые позволяют повысить качество, долговечность и эффективность работы деталей и КПД изготовляемых машин и приборов, увеличить экономические и экологические эффекты. К возможным технологическим способам обработки деталей, которые можно осуществлять с помощью лазера, относятся: поверхностная закалка, легирование, наплавка, сварка, размерная обработка, химико-термическая обработка. Вопросам воздействия лазерного излучения на свойства металлических материалов посвящены труды А.Г. Григорьянца, Г.И. Бровера, Д.Н. Гуреева, Л.И. Миркина, В.М. Андрияхина, А.В Макарова, К.В. Цай, О.П. Максимкина, Л.Г. Турубаровой, Л.Г. Коршунова, И.Ю. Малыгиной, А.Л.

Осинцевой, Дж Рэди и др.

Лазерная закалка и лазерное легирование находят все большее применение в энергетическом машиностроении как способ повышения твердости, износостойкости, коррозионной стойкости и т.д. деталей. К числу, преимуществ можно отнести высокие скорости и локальность лазерной обработки, которые снижают неблагоприятные влияния теплового воздействия в тех местах детали, в которых не требуется термообработка.

Преимущество лазерного легирования заключается в том, что изделия могут изготавливаться из широко используемых материалов, а дорогие и дефицитные компоненты расходуются только в относительно тонком поверхностном слое на локальном участке изделия. Однако внедрение этих технологий на промышленных предприятиях ограничивается тем, что систематизированных научных положений и экспериментальных результатов. по лазерной закалке и лазерному легированию сталей, применяемых в энергетическом машиностроении, в настоящее время явно не достаточно.

Актуальность данного исследования обусловлена необходимостью создания научных основ для разработки технологий лазерной закалки и лазерного легирования и установления влияния технологических параметров обработки на изменение структуры и свойств поверхностных слоев изделий энергетического машиностроения, в которых широко используются высоколегированные конструкционные стали различных классов.

Работа выполнялась на основе программы «Развитие научного потенциала вышей школы», программы «Развитие инфраструктуры научно-технической и инновационной деятельности высшей школы и ее кадрового потенциала» и Единого Заказ - наряда Министерства образования и науки РФ «Разработка фундаментальных основ создания новых металлических, неметаллических и композиционных материалов» р/н № 1.2.09.

Цель работы

Целью данной работы является создание научных основ повышения эксплуатационного ресурса изделий энергетического машиностроения, за счет лазерного термического упрочнения и легирования используемых конструкционных сталей. Для достижения поставленной цели в диссертации необходимо было выполнить:

1.Металлографическими, физическими, химическими и рентгеноспектральными методами исследовать структурные композиции, формирующиеся в поверхностном слое образцов из сталей марок 03Х21Н32МЭБ, 12Х18Н10Т, 38Х2МЮА, 08Х14Н5М2ДЛ, З8ХНЗМФА, 38Х2Н2МА при лазерной закалке и из стали 38Х2МЮА при лазерном легировании смесью порошков Сг, Мо, А1 и (МН2)2СО, также смесью порошков А1 и (ЫН2)2СО.

2. Провести анализ влияния воздействия параметров лазерной обработки на микроструктуру, коррозионную стойкость и физико-механические свойства исследуемых сталей.

3. Расчеты фактических значений температурных полей и глубин проникновения лазерного воздействия в сталях при лазерной обработке, произведены с помощью компьютерного моделирования в среде СОМБОЬ 3.5а.

4. Разработать программное обеспечение для оценки значений микротвердости с помощью цифровой обработки изображений в среде ЬаЪУ1елу

7.0.

5. Разработать и внедрить технологический процесс обработки излучением С02-лазера сталей марок ОЗХ21Ю2МЗБ, 12Х18Н10Т, 38Х2МЮА, 08Х14Н5М2ДЛ, 38ХШМФА, 38Х2Н2МА при лазерной закалке и стали 38Х2МЮА при лазерном легировании смесями порошков Сг, Мо, А1 и

Ш2)2СО и А1 и (КН2)2СО.

Научная новизна диссертации состоит:

1. В установлении влияния параметров лазерной обработки, определяющих лазерное термическое упрочнение и легирование, на микроструктуру и свойства исследуемых сталей.

2. В установлении закономерности изменения физико-механических свойств после лазерной термообработки сталей марки 03Х21Н32МЗБ, 12Х18Н10Т, 38Х2МЮА, 08Х14Н5М2ДЛ, 38ХНЗМФА, 38Х2Н2МА и стали 38Х2МЮА при лазерном легировании смесями порошков Сг, Мо, А1 и

Ш2)2СО и А1 и (Ш2)2СО.

3. В исследовании эффективности влияния лазерной термообработки сталей 03Х21Н32МЗБ, 12Х18Н10Т, 38Х2МЮА, 08Х14Н5М2ДЛ, 38ХНЗМФА, 38Х2Н2МА и лазерного легирования стали 38Х2МЮА на их износостойкость и коррозионную стойкость.

4. В определении максимальных температур на границах образующихся зон лазерного термического влияния, а также в определении коэффициента поглощения лазерного излучения поверхности сталей при исследуемых режимах лазерной обработки.

Практическая значимость данной работы заключается:

- в разработке и обосновании промышленной технологии лазерной термической обработки и лазерного легирования деталей энергетического машиностроения.

- в разработке программного обеспечения, для определения микротвердости сталей.

- в апробации на ООО «Гидротермаль» и ОАО «Инженерный центр» при изготовлении и обработке деталей типа штуцеров, фланцев, втулок и поворотных клапанов технологии, подтверждённой техническим эффектом

Акты предприятий.

- во внедрении результатов работы в учебный процесс на кафедре

Материаловедение и технология новых материалов» НГТУ им. Р.Е. Алексеева в дисциплинах «Теория, технология и оборудование высокоэнергетических методов обработки материалов», «Технология высокоэнергетических методов обработки материалов», «Теория термической и химико-термической обработки» и «Физические основы лазерного термоупрочнения, наплавки, резки».

Предмет исследования - микроструктура, механические свойства,, износостойкость и коррозионная стойкость изделий энергетического машиностроения.

Объект исследования - элементы конструкции энергетических установок типа штудер, фланец, втулка, поворотный клапан и др., изготавливаемые из сталей марок 03Х21Н32МЗБ, 12Х18Н10Т, 38Х2МЮА, 08Х14Н5М2ДЛ, З8ХНЗМФА, 38Х2Н2МА.

Основные положеният выносимые на защиту

1. Результаты исследования влияния структуры и свойств поверхности сталей 03Х21Н32МЗБ и 12Х18Н10Т на их коррозионную стойкость.

2. Закономерности формирования микроструктуры в зоне лазерного облучения высоколегированных аустенитных, аустенитно-мартенситной, ферритно-перлитной и мартенситных сталей.

3. Результаты экспериментальных исследований износостойкости сталей 03X21H32M3B, 12Х18Н10Т, 38Х2МЮА, 08Х14Н5М2ДЛ, З8ХНЗМФА, 38Х2Н2МА после лазерной термообработки и лазерного легирования стали 38Х2МЮА различными видами легирующих обмазок и сравнительная оценка их эффективности.

Личный вклад автора состоит в выборе направления научнотехнологического исследования, определении целей исследований, анализе литературных источников, осуществлении экспериментов и интерпретации полученных результатов, проведении металлографических, физико-механических и других исследований. Автор провел обработку натурных изделий по разработанным технологиям, которые прошли испытания с положительным результатом на ООО «Гидротермаль» и ОАО «Инженерный центр».

Достоверность полученных результатов подтверждается корректностью определения решаемых задач и их физической и металловедческой аргументированностью, большим количеством экспериментов и экспериментальных данных и положительными результатами внедрения результатов исследований.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на .следующих конференциях: VII Международная молодежная НТК «Будущее технической науки» Н. Новгород, НГТУ, 2008 г; 14-я Нижегородская сессия молодых ученых, технические науки, 2009г; III Всероссийский смотр научных и творческих работ иностранных студентов и аспирантов, Томск, ТПУ, 2009г; XVI Нижегородская сессия-молодых ученых, технические науки, 2011 г.

Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ, в том числе из списка рекомендуемых изданий ВАК, а также имеется 2 патента и регистрация программного обеспечения.

Объем и структура работы

Работа состоит из введения и пяти глав, библиографического списка из 83 наименований и приложений на 46 страницах. Диссертация изложена на 195 страницах, текст содержит 58 таблиц и 84 рисунка.