Поверхностное упрочнение углеродистых сталей с использованием различных технологических комбинаций лазерной, ультразвуковой и химико-термической обработки

Целью проекта является повышение эксплуатационных свойств деталей машин и инструмента путем проведения поверхностного упрочнения углеродистых сталей различными технологическими комбинациями с использованием лазерной, ультразвуковой и химико-термической обработки. В настоящее время уже имеется массив научных исследований по различным технологическим способам поверхностного упрочнения металлических сплавов, таким как термическая обработка, в том числе с использованием концентрированных потоков энергии различной природы, термодиффузионная химико-термическая обработка и др. Однако потенциал их эффективности исчерпан. Поэтому в последнее время ведутся многочисленные исследования по созданию гибридных технологий, сочетающих известные процессы. Показана эффективность таких комбинированных технологий. Но эмпирический подход и связанные с этим затраты на многочисленные эксперименты с целью установления закономерностей между технологическими параметрами и получаемыми структурой и свойствами, не позволяют управлять структурообразованием и делают их неконкурентными для производства. Для дальнейшего поступательного развития отечественного машиностроения актуальным является новый интеллектуальный подход к целенаправленному формированию структур с высокими и сверхвысокими показателями прочности, трещиностойкости, износостойкости. Используя положения структурной теории прочности можно подобрать такие технологические комбинации, которые максимально реализуют в структуре все значимые упрочняющие механизмы: дислокационный, зернограничный, твердорастворный, дисперсионный и др., и позволяют получать поверхностные слои с максимально высокими показателями эксплуатационных свойств для тяжелонагруженных деталей машин и инструмента, работающих в условиях повышенных нагрузок, скоростей и температур. В качестве примера применения положений структурной теории прочности рассмотрим несколько вариантов предлагаемых технологических комбинаций с использованием лазерной обработки, лазерного легирования, ультразвуковой обработки и азотирования. Известно, что лазерная термообработка (ЛТО) стальных изделий значительно повышает их износостойкость. Твердость и прочность повышается в основном за счет дислокационного механизма. При лазерном легировании (ЛЛ) в зависимости от типа элемента включаются механизмы твердорастворного упрочнения элементами замещения и зернограничный. Лазерное легирование позволяет значительно сократить расход дорогостоящих легирующих элементов. Оно не вызывает деформации изделий, так как энергия на поверхность обрабатываемого изделия передается бесконтактно, быстро и строго дозированно, что сокращает технологический процесс, так как не требуется доводка. Однако после лазерного легирования, которое проводится в режиме оплавления, увеличивается шероховатость поверхности, которую можно устранить шлифованием, оказывающим неконтролируемое влияние на структуру. В проекте предлагается использовать ультразвуковую обработку (УЗО), в том числе виброударную с гарантированным зазором (ВУЗО) для выглаживания поверхности, что позволит не только улучшить качество поверхности, но и увеличить вклад дислокационного механизма в общий уровень упрочнения. Расчет влияния параметров ультразвуковой обработки на общий уровень упрочнения позволит выбрать оптимальные технологические режимы для достижения максимальных показателей поверхностной твердости и прочности. Еще одним недостатком лазерной обработки при всех режимах, сдерживающим ее внедрение в промышленность, является неблагоприятное распределение остаточных напряжений в поверхностном слое. Нагрев позволяет устранить этот недостаток, однако при этом дислокации аннигилируют и уровень упрочнения, достигнутый лазерной обработкой, снижается. В проекте предлагается после лазерного легирования нагрев проводить в азотсодержащей атмосфере. Это позволит реализовать дополнительно твердорастворный механизм элементами внедрения и дисперсионный механизм наноразмерными частицами химических соединений (нитридов или карбонитридов, в зависимости от содержания углерода в стали, когерентными или некогерентными с матрицей - в зависимости от режимов азотирования). Расчет прогнозируемого упрочнения позволит выбрать рациональную температуру и длительность процесса для получения упрочненного слоя с максимальным уровнем упрочнения, сохраняющимся даже в условиях эксплуатации при повышенных температурах (600С). Научная новизна проекта заключается в разработке новых ресурсосберегающих технологических комбинаций с использованием лазерной, ультразвуковой и химико-термической обработки на основе интеллектуального подхода к формированию микро- и наноструктур в поверхностном слое углеродистых сталей, обеспечивающих повышение их твердости и прочности в 3…10 раз, трещиностойкости в 1,5 раза, износостойкости в 3…15 раз, по сравнению с традиционными технологиями для этих сталей. Разрабатываемые технологии позволяют не только существенно повысить физико-механические и эксплуатационные свойства деталей машин и инструмента, но и заменить дорогостоящие легированные стали на более дешевые и доступные, а также снизить затраты на технологические процессы обработки материалов, обеспечить экономию энергоресурсов и расходных материалов, автоматизацию, сократить длительность процессов и повысить эффективность обработки, по сравнению с традиционными методами упрочнения конструкционных и инструментальных сталей. Таким образом, представленная работа направлена на разработку инновационных технологий, обеспечивающих рациональное природопользование, энергоэффективность, энергосбережение и экологическую безопасность, что подтверждает значимость решаемой задачи для преодоления ресурсных, спросовых и экологических ограничений на рынках потребления конструкционных и инструментальных сталей. Актуальность проблемы разработки новых ресурсосберегающих с возобновляемыми источниками энергии технологий подтверждается включением их в перечень основных приоритетных направлений модернизации и критических технологий.