Статья: Применение лазерной закалки и дополнительной обработки холодом для повышения сопротивления абразивному изнашиванию и контактно-усталостному разрушению цементированной долотной стали

Из рис.2 следует, что содержание углерода в остаточном аустените превышает 0.75-0.80 мас. % по всей глубине слоя лазерной закалки у образцов партий 1 (а) и 2 (б), а также в слое толщиной 0.5 мм у образцов партии 3 (в). Максимальное содержание углерода в твердом растворе у образцов партий 1, 2, 3 составляет соответственно 1.20, 1.05 и 0.95 мас. %. Можно считать, что при использованных режимах лазерной обработки практически весь углерод, содержащийся в цементированном слое, перешел в твердый раствор. Оценка содержания углерода в мартенсите лазерной закалки, выполненная по величине междублетного расстояния рентгеновских линий, показала, что концентрация углерода в твердом растворе лишь не на много (не более, чем на 0.05-0.10 мас. %) уступает содержанию углерода в растворе. Это свидетельствует о достаточно эффективном подавлении процессов самоотпуска мартенсита при скоростном охлаждении стали после лазерного нагрева. При этом наименьшим самоотпуском характеризуется зона лазерной закалки образцов партии 1 с минимальной мартенситной точкой (М_н=35-125С при концентрации углерода в цементированном слое 1.0-1.2 мас. %). Естественно, что при формировании основных порций мартенсита при температурах ниже 100С самоотпуск фазы практически не происходит. Результаты электронно-микроскопического исследования структуры цементированной стали 20ХН3А после лазерной обработки показывают, что остаточный аустенит после лазерной обработки представляет собой фазонаклепанный аустенит с довольно значительным уровнем дефектности и, следовательно, с повышенным уровнем прочности. Микротвердость аустенита может превышать 2,5 ГПа.

Влияние лазерной обработки и дополнительной обработки холодом на сопротивление цементированной стали абразивному изнашиванию. Испытания на абразивную износостойкость показали, что зона лазерной закалки по всей глубине характеризуется пониженной интенсивностью изнашивания (рис.3, кривые 1) независимо от наличия оплавления и, соответственно, изменения количества остаточного аустенита (от 20 до 90 об. %) и микротвердости (от 9.0 до 2.5 ГПа) в упрочненном слое (см. рис. 1).

При испытании по кремню лазерная закалка снижает интенсивность изнашивания цементированного слоя на 40-65%, а при изнашивании по корунду - на 15-25% по сравнению со стандартной термической обработкой (закалка от 790С и отпуск при 180С, см. рис.3, кривые 3). Оплавленный слой обладает такой же значительной износостойкостью, как и слой, полученный при лазерной обработке без оплавления поверхности [1]. В зоне лазерного отпуска интенсивность изнашивания цементированного слоя резко возрастает(см. рис. 3, кривые 1) и становится выше интенсивности изнашивания закаленной и низкоотпущенной стали (см. рис. 3, кривые 3).

Из сравнения кривых 1 и 2 на рис. 3 следует, что дополнительная обработка холодом при -196С, снижающая содержание аустенита в структурах лазерной закалки, практически не влияет на характер изменения интенсивности изнашивания по глубине цементированного слоя, закаленного лазером. Следовательно, остаточный аустенит, присутствующий в количестве 20-90 об. % в закаленной структуре, обладает повышенной абразивной износостойкостью, как и высокоуглеродистый мартенсит, возникающий непосредственно при лазерной закалке, а также при последующей обработке холодом. Рентгеновский фазовый анализ показал (табл. 2), что остаточный аустенит, образующийся в цементированной стали при лазерной обработке, является метастабильным, так как в процессе абразивного воздействия претерпевает мартенситное превращение: количество аустенита снижается на поверхности изнашивания в два раза (при исходном содержании 40-80 об. %), а в продуктах изнашивания не превышает 5-10 об. %.

Таблица 2

Изменение фазового состава и микротвердости цементированного слоя стали 20ХН3А при изнашивании по корунду

Уровень микротвердости на поверхности изнашивания обработанной лазером цементированной стали достигает значений 10.15-10.50 ГПа при сохранении в анализируемом слое толщиной 5 мкм 40-20 об. % остаточного аустенита (см. табл. 2). Высокая твердость мартенсита деформации в значительной степени может быть связана с протеканием в -мартенсите процессов деформационного динамического старения, которые интенсивно развиваются при абразивном изнашивании в поверхностном слое толщиной 15 мкм стали со структурой высокоуглеродистого неотпущенного мартенсита охлаждения [17]. В результате взаимодействия возникающих при изнашивании многочисленных дислокаций с атомами углерода часть углерода из кристаллической решетки -мартенсита переходит в сегрегации, обеспечивающие эффективное закрепление дислокаций. Таким образом, мартенсит деформации, как и мартенсит охлаждения, является высокоуглеродистым неотпущенным мартенситом, который обладает высокой твердостью и значительной способностью к деформационному упрочнению при изнашивании в результате развития в нем деформационного динамического старения. Уровень микротвердости на поверхности абразивного изнашивания закаленной лазером стали (10.15-10.50 ГПа) заметно превышает уровень микротвердости на поверхности трения закаленной и низкоотпущенной цементированной стали 20ХН3А (9.30-9.42 ГПа) (см. табл. 2). Известно [23-25], что величина микротвердости на поверхности изнашивания в известной степени отражает уровень эффективной прочности материала, определяющей его сопротивление абразивному изнашиванию. Вследствие этого структура, возникающая в цементированной стали 20ХН3А при лазерной обработке и состоящая из неотпущенного мартенсита и метастабильного остаточного аустенита, обладает более высокой износостойкостью по сравнению со структурой, состоящей преимущественно из отпущенного мартенсита (см. рис.3, кривые 1 и 3). Повышенная износостойкость метастабильного остаточного аустенита во многом связана с его положительным влиянием на вязкость разрушения, реализующегося в условиях изнашивания [22, 27]. Протекание превращения, которое сопровождается увеличением объема металла, снижает уровень растягивающих напряжений на фронте растущей микротрещины, что оказывает положительное влияние на сопротивление высокопрочных материалов абразивному изнашиванию [27, 28]. Кроме того, обладающий повышенной вязкостью непревращенный аустенит, расположенный ниже слоя, в котором развивается инициированное деформацией превращение, препятствует распространению вглубь микротрещин, возникающих в мартенситной структуре поверхностного слоя при изнашивании [24, 27].

В условиях изнашивания высокопрочных материалов по менее твердому абразиву - кремню (твердость 10 ГПа) преобладает пластическое оттеснение (царапание) [26], при котором разрушение происходит в результате многократного передеформирования материала. При данном механизме разрушения наибольшая интенсивность изнашивания наблюдается у обработанных лазером образцов партии 1 с максимальным насыщением цементированного слоя углеродом (см. рис. 3а). Это обусловлено возрастанием при реализации механизма пластического оттеснения отрицательной роли повышенной хрупкости высокоуглеродистого (более 1 мас. % С) мартенсита охлаждения и мартенсита деформации [22]. В отличие от изнашивания корундом (см. рис.3 ) при испытании по кремню уменьшение доли аустенита при охлаждении до температуры жидкого азота не приводит к росту, а, наоборот, вызывает снижение на 10% интенсивности изнашивания закаленных лазером образцов партии 1. Это может быть связано с усилением в результате обработки холодом высокопрочного мартенситного каркаса, который играет положительную роль в ограничении процессов полидеформационного (усталостного) разрушения поверхности стали [22].Достижение максимального уровня износостойкости достигается при концентрации углерода в мартенсите 0.8-0.9%. Это обусловлено тем, что дальнейшее увеличение содержания углерода не приводит к росту как исходной твердости мартенсита, так и его способности к деформационному упрочнению при трении [33], но возрастает хрупкость мартенситных структур.

лияние отпуска на твердость и абразивную износостойкость цементированной стали, подвергнутой лазерной закалке, а также дополнительной обработке холодом. Из рис. 4 (кривые 2) следует, что у образцов партии 3, подвергнутых лазерной закалке с последующим охлаждением до -196С и содержащих в упрочненном слое до 10 об. % аустенита, при нагреве в интервале температур 100-400С происходит непрерывное снижение твердости мартенситных структур и увеличение интенсивности абразивного изнашивания. Отмеченные изменения при отпуске твердости и износостойкости мартенсита лазерной закалки имеют такой же характер, как и у мартенсита, сформированного в цементированной стали 20ХН3А при традиционной закалке в масле [30]. Отсутствие различий в поведении при отпуске мартенсита лазерной и объемной закалок наблюдалось ранее и для сталей У8, 65Г и 45Х [6, 16]. У стали 20ХН3А, подвергнутой лазерной закалке и содержащей 20-40 об. % остаточного аустенита, увеличение интенсивности изнашивания начинается при температуре отпуска 150С (рис. 4, кривая 1). Дальнейшее повышение температуры отпуска до 200С вызывает в данном случае менее значительный рост интенсивности изнашивания (кривая 1), чем это наблюдается у стали, дополнительно обработанной холодом (кривая 2). Выявленная особенность объясняется положительным влиянием остаточного аустенита на износостойкость стали. Действительно, метастабильный остаточный аустенит в зоне лазерной закалки образцов партии 3 обладает абразивной износостойкостью, приблизительно равной износостойкости неотпущенного мартенсита. Отпуск при температурах 100-200С, по-видимому, не изменяет износостойкость г-фазы, поскольку в указанном интервале температур отпуска аустенит сохраняет устойчивость к деформационному распаду.

Как следует из табл. 2, двухчасовой отпуск при 180С не приводит к стабилизации остаточного аустенита к мартенситному превращению при изнашивании. В работе [31] заметное стабилизирующее влияние на интенсивность г превращения при абразивном воздействии у цементированной хромоникелевой стали 12ХН3А отмечалось лишь после отпуска при 250С.

Мартенсит, отпущенный при температурах выше 100С, обладает меньшей износостойкостью по сравнению с метастабильным остаточным аустенитом. Вследствие этого структура, содержащая повышенное количество остаточного аустенита, сохраняет относительно большую износостойкость после отпуска при температурах 100-200С по сравнению с мартенситной структурой (см. рис.4). При температурах отпуска выше 200С, когда остаточный аустенит распадается, различие в износостойкости сравниваемых структур (кривые 1 и 2 на рис. 4) исчезает.

Применение лазерной обработки для повышения работоспособности опоры буровых долот в условиях трения качения. Выявленные закономерности были использованы при выборе режимов лазерного упрочнения дорожек качения опорного узла буровых долот диаметром 190.5 мм из цементированной стали 20ХН3А. В условиях эксплуатации долот работоспособность опорного узла во многом определяется сопротивлением цементированной поверхности контактно-усталостному и абразивному изнашиванию [4]. Лазерную обработку беговых дорожек лап долот, подвергнутых стандартной химико-термической обработке (цементация, двойная закалка в масле, отпуск при 180С) и шлифованию, проводили в режиме без оплавления поверхности, поскольку оплавление приводит к формированию повышенного количества остаточного аустенита и, соответственно, к пониженной твердости и несущей способности поверхности.

Сформировавшийся упрочненный слой имел по всей глубине однородную мартенситно-аустенитную структуру и характеризовался постоянным высоким уровнем микротвердости: 8.6-9.8 ГПа - в случае лазерной закалки и 9.8-10.8 ГПа - в случае лазерной закалки с последующей обработкой холодом. Содержание аустенита в слое составляло 25-40 об. % после лазерной обработки и снижалось до 10-15 об. % после охлаждения до -183С. Сопротивление цементированного слоя контактно-усталостному разрушению при трении качения исследовалось в условиях заводских стендовых испытаний буровых долот на металлическом забое (нагрузка на долото 180-200 кН, скорость вращения 105-120 об/мин, охлаждение водой). Стендовые испытания показали, что работоспособность буровых долот, упрочненных лазером, в 1.55 раза превышает работоспособность серийных долот. Применение комбинированного способа упрочнения (лазерная закалка с последующей обработкой холодом при -183С) привело к повышению стойкости опоры в условиях стендовых испытаний в 1.8 раза по сравнению со стандартной обработкой. Таким образом, обработка холодом после лазерной закалки, повышающая твердость и несущую способность поверхности и создающая дополнительные сжимающие напряжения в цементированном слое, благоприятно сказывается на его сопротивлении контактно-усталостному изнашиванию.

Множественный характер микротрещин в слое лазерной закалки опоры долота свидетельствует о повышенной хрупкости упрочненной зоны. Это дает основание утверждать, что увеличение стойкости долот в результате лазерного упрочнения связано с увеличением инкубационного периода до начала питтингового изнашивания, то есть с увеличением работы зарождения трещин. На стадии интенсивного изнашивания, более хрупкий неотпущенный слой лазерной закалки не обладает повышенной стойкостью по сравнению с цементированным слоем стандартных долот.

Выводы

1. Наличие 40-90 об. % остаточного аустенита в закаленной лазером цементированной стали 20ХН3А, существенно снижающее ее твердость, не оказывает значительного отрицательного влияния на абразивную износостойкость цементированного слоя. Это обусловлено превращением остаточного аустенита при изнашивании в высокопрочный мартенсит деформации.

2. Обработка холодом (-196С), уменьшающая до 5-35 об. % количество остаточного аустенита в зонах лазерной закалки цементированной стали 20ХН3А, оказывает на абразивную износостойкость стали лишь небольшое (в пределах 10%) влияние. Это влияние носит отрицательный характер в условиях микрорезания и положительный - при пластическом оттеснении (микроцарапании).

3. В интервале температур отпуска 100-400С обнаружено резкое падение абразивной износостойкости мартенсита лазерной закалки цементированной стали. Наличие в закаленном лазером цементированном слое 20-40 об. % метастабильного остаточного аустенита способствует сохранению повышенной износостойкости стали, отпущенной при температурах 100-200С, поскольку указанный низкий отпуск не приводит к распаду аустенита и его способности к мартенситному превращению в процессе изнашивания.

4. Увеличение в пределах 0.8-1.2 мас. % содержания углерода в мартенсите охлаждения и остаточном аустените, сформированных в цементированной стали при лазерном воздействии и обработке глубоким холодом, изменяет абразивную износостойкость не более, чем на 10-13%. Это обусловлено прогрессирующим ростом хрупкости мартенсита в условиях изнашивания по мере повышения концентрации в нем углерода.

5. Лазерная закалка, а также лазерная закалка в сочетании с обработкой холодом, приводящие к формированию в цементированном слое опор качения буровых долот мартенситно-аустенитных структур, обеспечивают повышение сопротивления рассматриваемого слоя абразивному и контактно-усталостному изнашиванию.

ЛИТЕРАТУРА

1. А.В. Макаров, Л.Г Коршунов., Н.Л. Черненко и др. Структура и износостойкость цементированной стали 20ХН3А, подвергнутой электронно-лучевой и лазерной обработкам // ФММ. 1989. т. 68. № 1. с. 126-132.