Omsk, Omsk, Russian Federation
Parts of modern vehicles made of heat-resistant steels and alloys experience enormous mechanical stress and influence of aggressive high-temperature environment in the course of operation. These factors cause rapid development of different types of corrosion processes: intercrystalline corrosion, gas chemical corrosion, fretting corrosion; erosion and cracks appear on steel surfaces, thermal fatigue is manifested. The use of laser radiation to modify the surfaces of heat-resistant steels and alloys in order to obtain structures that are hardened and resistant to corrosion damage is effective. The paper describes the experimental procedure and the results of research of laser heat treatment effect on the rate of corrosion processes of 40X10C2M martensitic class heat-resistant steel and its microhardness. Corrosion tests carried out by weight and electrochemical methods convincingly prove that exposure to laser radiation, in which no melting of steel surface layers takes place, increases corrosion resistance by 3.68 times, with laser heat treatment efficiency of 73 %. Laser irradiation exposure leads to the formation of heat-affected zones on the treated surface, in which metals undergo significant structural changes. As a result of laser heat treatment the surface of the investigated steel is significantly hardened, an increase in microhardness is observed. Within the limits of the executed researches it is proved the increase in microhardness of steel 40X10C2M after irradiation by separate pulses of the laser in modes without surface melting in 1,5 times. Laser heat treatment causes formation of hidden crystalline martensite in martensitic steels, which provides corrosion fracture resistance and hardening of the treated material.
corrosion, corrosion resistance, microhardness, laser heat treatment, heat resistant steels
Детали механизма газораспределения двигателей работают в тяжелых эксплуатационных условиях. Впускные и выпускные клапаны механизма газораспределения испытывают существенные температурные и механические нагрузки. На них воздействуют горячие газы в камере сгорания, а головка и стержень выпускных клапанов нагреваются и в периоды выпуска, когда скорость газов составляет 400−600 м/с, а температура достигает 1200 оС. Действие высоких температур снижает механическую прочность материала клапана, а высокоскоростные газовые потоки и агрессивность среды порождают коррозию и газовую эрозию поверхностей клапана [1]. Большие перепады температуры определяют высокий уровень температурных напряжений. Все это приводит к коррозионным разрушениям клапанов механизма газораспределения двигателей.
Для впускных клапанов форсированных двигателей применяют специальные жаропрочные клапанные стали: 40Х10С2М, 12Х18Н9Т, 45Х14Н14В2М, 45Х22Н4МЗ и им подобные, которые способны сохранять свои свойства при высоких температурах и знакопеременных нагрузках в агрессивных средах.
Перспективным методом упрочнения и повышения коррозионной стойкости поверхности сталей представляется лазерное облучение [2−6]. Излучение лазера имеет специфические свойства: оно монохроматично, когерентно, концентрированно, обладает особой пространственно-временной структурой.
Параметры лазерного изучения определяют характер процессов, протекающих в поверхностных слоях обрабатываемых сталей и сплавов. Возможно образование закалочных структур, оплавление поверхности и аморфизация [7]. На облученной поверхности возникает зона термического влияния, так называемый «белый слой», структура которого специфична, что и обуславливает поверхностные свойства: коррозионную стойкость, более высокую микротвердость, стойкость к износу [7, 8]. В результате воздействия лазерного излучения происходит измельчение зерен металла, структура гомогенизируется, уменьшается количество дефектов (вакансий, дислокаций, микропор и др.), которые и являются очагами коррозионных процессов [9].
Таким образом, исследование влияния лазерного облучения на стойкость к коррозии и микротвердость жаропрочных сталей, которые являются материалом для изготовления ресурсоопределяющих деталей, эксплуатируемых в агрессивной высокотемпературной среде, актуально в научном и прикладном аспектах [10].
Объект исследования – сталь 40Х10С2М. Высоколегированная сталь 40Х10С2М мартенситного класса используется для изготовления впускных и выпускных клапанов, крепежных деталей двигателей.
В рамках проведенных исследований использованы весовой и потенциостатический методы определения скорости коррозии, математическая обработка полученных результатов, построение графических зависимостей выполнено средствами пакета MS Excel.
Весовой метод определения скорости коррозии основан на вычислении массового показателя коррозии, который характеризует потерю массы образца металла в результате коррозии с единицы поверхности металла в единицу времени [11]:
где ρ – скорость коррозии, г/см2 ∙ час; ∆m – потеря массы, г; S – площадь поверхности образца, см2; τ – время, час.
Для проведения эксперимента было изготовлено 30 образцов стали 40Х10С2М прямоугольной формы площадью 4 см2. Поверхность образцов отшлифована с целью удаления оксидных пленок, промыта водой, обработана этанолом, образцы на сутки помещены в эксикатор с термически обработанным силикагелем.
Лазерная термическая обработка осуществлялась на технологической установке ЛТУ-2М при следующих значениях плотности мощности лазерного излучения: 2·104 Вт/см2; 3·104 Вт/см2; 5·104 Вт/см2; 7·104 Вт/см2; 9·104 Вт/см2. Длительность импульса лазерного излучения равна 1,5 миллисекунды, коэффициент перекрытия пятен составлял 50%. Для уменьшения отражения лазерного луча от поверхности образцов в качестве поглощающего покрытия использовался технический углерод.
Коррозионные испытания облученных и необлученных образцов проводились в растворе серной кислоты с молярной концентрацией эквивалентов 4 моль/л в течение 6 часов. По окончании воздействия агрессивной среды образцы были промыты водой, очищены от продуктов коррозии, взвешены.
Эффективность лазерной термообработки как способа повышения коррозионной стойкости рассчитана по формуле [1]:
где Z – эффективность защиты от коррозии, ρн – скорость коррозии в необлученных образцах, ρо – скорость коррозии облученных образцов.
Наименьшее значение скорости коррозии показано образцами, на которые воздействовало лазерное излучение плотностью мощности 3·104 Вт/см2, скорость коррозии при этом уменьшается в 3,68 раз. Относительное повышение коррозионной стойкости, которое характеризует эффективность лазерной термообработки как способа противокоррозионной защиты стали 40Х10С2М, достигает 72,86%. По результатам весовых испытаний построен график зависимости скорости коррозии стали 40Х10С2М от плотности мощности лазерного излучения (рис. 1).
В зоне лазерного воздействия образуется специфическая структура – «белый слой», которая характеризуется высокой степенью дисперсности и гомогенности за счет растворения карбидов и равномерного их распределения в поверхностном слое, что и обеспечивает снижение скорости коррозии исследуемого материала.
Микроструктура облученного образца стали 40Х10С2М после лазерной термообработки представлена на рис. 2.
С целью подтверждения результатов исследования скорости коррозии весовым методом образцы стали 40Х10С2М были подвергнуты электрохимическим испытаниям. Определение коррозионной стойкости стали проводилось электрохимическим способом через построение потенциостатических поляризационных кривых. Потенциостатический метод основан на установлении с помощью потенциостата постоянного во времени значения потенциала исследуемого электрода по отношению к электроду сравнения и изменения тока в цепи исследуемый-вспомогательный электроды [12]. Эквивалентность скорости электрохимических реакций плотности тока позволяет использовать их как элементы коррозионных испытаний.
Поляризация осуществлялась с использованием потенциостата П-5827 М в стационарной ячейке при температуре 25оС и начиналась через 10-15 мин. после погружения образца в раствор электролита и установления стационарного потенциала. Катодная и анодная ветви устанавливались в прямом направлении от стационарного потенциала последовательно, не вынимая образца из раствора. Выдержка при каждом заданном потенциале составляла 3 мин., после чего фиксировалась величина тока (мА). На рис. 3 показана зависимость величин плотности тока на образцах стали 40Х10С2М от плотности мощности лазерного излучения.
Наименьшие токи коррозии наблюдаются на поверхности образцов исследуемой стали после лазерной термической обработки с плотностью мощности 3·104 Вт/см2. Таким образом, результаты весовых и электрохимических испытаний тождественны.
Легко пассивирующиеся материалы подвержены межкристаллитной коррозии, что выражается в ускоренном окислении металла по границам зерен. Зачастую скорость растворения приграничных областей на несколько порядков превышает скорость растворения основного металла. Происходит разрушение связей между отдельными зернами металла, их последующее выкрашивание, вследствие которого металлическое изделие теряет свои эксплуатационные свойства [11].
Было проведено исследование склонности стали 40Х10С2М к межкристаллитной коррозии в агрессивной высокотемпературной среде. Для эксперимента подготовлено 40 образцов стали 40Х10С2М площадью 4 см2. 15 облученных и 15 необлученных образцов были подвергнуты термической обработке в муфельной печи при температуре 700 оС по 5 облученных и по 5 необлученных – в течение 2, 4 и 8 часов соответственно. Продукты коррозии, которые образовались на поверхности исследуемых образцов, снимали в горячем растворе серной кислоты. После чего проводились электрохимические коррозионные испытания методом построения потенциостатических поляризационных кривых. В качестве электролита использовался раствор серной кислоты с молярной концентрацией эквивалентов 4 моль/л. Результаты коррозионных испытаний приведены в табл. 1.
Таблица 1
Влияние времени термической обработки на величины катодного и анодного токов стали 40Х10С2М в кислой среде
|
время термообработки, час |
Екат. = -550 мА/см2 |
Еан. = + 100 мА/см2 |
|
0 |
2,88 |
33,9 |
|
2 |
11,0 |
39,8 |
|
4 |
0,59 |
3,98 |
|
8 |
0,72 |
18,23 |
Максимальная скорость анодного процесса наблюдается после двухчасовой термообработки. Если образцы обрабатывались при температуре 700 оС в течение 4 часов, то величины анодных токов меньше, чем на необработанном образце, т.е. скорость анодного растворения у облученных термически обработанных образцов меньше, чем у образцов, не подвергавшихся термообработке. Такие результаты на облученных образцах обусловлены тем, что при термической обработке в течение 2 часов нарушается структура поверхностного облученного слоя. Эффект защиты, связанный с облучением, нивелируется. Увеличение времени термической обработки до 4 часов приводит к тому, что за это время на металлической поверхности формируется оксидная пленка в виде беспористых или слабопористых слоев, которые защищают металл от анодного разрушения. После термообработки в течение 8 часов анодный ток увеличился по сравнению со значениями на образцах, обработанных в течение 4 часов, но его величина не достигает величины анодного тока термически необработанного образца. Таким образом, термически обработанные облученные образцы более устойчивы в коррозионному разрушению.
Анализ электрохимических параметров анодного процесса показывает, что анодные поляризационные кривые во всех случаях имеют область предельного анодного тока (рис. 4).
В данных случаях это типичная поляризационная кривая (облученные образцы и необлученные без термообработки). В других (необлученные термически обработанные образцы) – предельный анодный ток, очевидно, связан с диффузией ионов через сформировавшийся при термической обработке оксидный слой. Пассивация облученных образцов достигается при более положительных потенциалах, но этот процесс обусловлен реакциями, протекающими при коррозии.
Исследовано влияние лазерной термической обработки на микротвердость поверхности стали 40Х10С2М. Цель измерения микротвердости состоит в определении твердости отдельных зерен, фаз и структурных составляющих сплава [13−15]. Исследуемые образцы электролитически отполированы в растворе, состоящем из 0,39 л серной кислоты, 0,29 л воды, 0,02 л хлорной кислоты, 0,04 л уксусной кислоты. Выполнено электролитическое полирование с применением катода из никеля в течение 1 мин. при плотности тока 20 А/дм2 и напряжении 30 В. Измерение микротвердости проводилось на приборе ПМТ-3 с нагрузкой 100 кгс с использованием алмазных наконечников с четырехгранной пирамидой и квадратным основанием. Результаты эксперимента представлены на рис. 5.
Эффект упрочнения при лазерном воздействии является результатом высокотемпературного сверхбыстрого нагрева поверхности сплава и последующего охлаждения. В облученном материале создаются структуры с высокой степенью дисперсности и гомогенности, характеризующиеся уникальными свойствами [16, 17]. Лазерная термообработка приводит к увеличению микротвердости образцов исследованной стали, что объясняется образованием в обработанном слое мартенситных структур [16]. Твердость мартенсита определяется, главным образом, содержанием углерода в твердом растворе и особой структурой. Повышение микротвердости в результате лазерной термической обработки, по мнению ряда исследователей [18−20], связано со скрытокристаллической формой мартенсита. Кроме высокой микротвердости, поверхностные слои со скрытокристаллическим мартенситом имеют низкую травимость в растворах кислот и значительную износостойкость. Именно такая структура в ряде работ отмечена как «белый слой» [16, 19, 20].
В рамках выполненных исследований установлено, что воздействие лазерного излучения на образцы жаропрочной стали 40Х10С2М существенно повышают устойчивость ее к коррозии в кислой среде за счет измельчения зерен металла, растворения карбидов поверхностного слоя, образования гомогенных структур. Скорость коррозии образцов стали 40Х10С2М зависит от параметров лазерного излучения. Оптимальный результат достигается при лазерной термической обработке с плотностью мощности излучения 3 ∙ 104 Вт/см2, эффективность лазерной обработки как способа противокоррозионной защиты составляет 72,86 %.
Доказано, что лазерная термообработка увеличивает микротвердость поверхностных слоев жаропрочной стали 40Х10С2М в 1,5 раза. Упрочнение обусловлено образованием скрытокристаллического мартенсита.
1. Shlyakova E.V. Povyshenie stoykosti k korrozii i iznosu poverhnostey izdeliy iz zharoprochnyh staley i splavov metodom lazernoy obrabotki [Tekst] : dis. kand.tehn. nauk: 05.02.01/E.V. Shlyakova. - Omsk, 2009. - 149 s.
2. Reshetnikov S.M. Korrozionno-elektrohimicheskoe povedenie stali U-10, podvergnutoy lazernoy obrabotke [Tekst] /S.M. Reshetnikov //Vestnik Udmurtskogo universiteta. Fizika. Himiya, 2012. - Vyp. 2. - S. 37-42.
3. Reshetnikov S.M. Korrozionno-elektrohimicheskoe povedenie stali 40H, podvergnutoy lazernoy obrabotke [Tekst] /S.M. Reshetnikov // Himicheskaya fizika i mezoskopiya, 2011. - T. 13. - S. 255-261.
4. Shlyakova E.V., Kunaev I.V. Issledovanie korrozionnoy stoykosti zharoprochnyh staley[Tekst] /E.V. Shlyakova, I.V. Kunaev //Nacional'nye prioritety Rossii. Seriya 1. Nauka i voennaya bezopasnost'. − 2016. - № 3. - S. 99-101.
5. Abraimov N.V. K voprosu ob effektivnosti mnogokomponentnyh pokrytiy dlya zharoprochnyh splavov [Tekst]/ N.V. Abraimov, Yu.P. Shkretov, A.M. Terehin, V.V. Lukina, E.V. Borsch // Korroziya: materialy, zaschita. − 2005. - № 10. - S. 10-14.
6. Shlyakova E.V. Uprochnenie i povyshenie stoykosti k korrozii detaley dvigatelya vnutrennego sgoraniya metodom lazernoy termoobrabotki[Tekst] / E.V. Shlyakova, A.A. Solov'ev, I.V. Mozgovoy //Vestnik akademii voennyh nauk. − 2013. - № 4(45). - S.196-202.
7. Smirnova N.A. Osobennosti obrazovaniya struktury pri lazernoy obrabotke [Tekst] / N.A. Smirnova, A.I. Misyurov //Vestnik MGTU im. N.E. Baumana. Ser. «Mashinostroenie». − 2012. - S. 115-129.
8. Mozgovoy I.V. Antikorrozionnaya poverhnostnaya obrabotka metallov [Tekst] /I.V. Mozgovoy, A.A. Solov'ev, E.V. Shlyakova. - Omsk: OmGTU, 2006. - 188 s.
9. Shlyakova E.V. Ispol'zovanie lazernoy termoobrabotki dlya povysheniya stoykosti k korrozii i uprochneniya zharoprochnyh nikelevyh splavov [Tekst]/ E.V. Shlyakova //Vestnik tehnologicheskogo universiteta. − 2021. - T. 24. - № 3. - S. 55-59.
10. Shlyakova E.V. Issledovanie vliyaniya lazernoy termoobrabotki na korrozionnuyu stoykost' splava HN70VMTYu[Tekst] /E.V. Shlyakova //Vestnik TvGU. Seriya: Himiya. − 2018. - № 4. - S. 53-64.
11. Semenova I.V. Korroziya i zaschita ot korrozii [Tekst]/ I.V. Semenova, G.M. Florianovich, A.V. Horoshilov. - Moskva: Fizmatlit, 2002. - 335 s.
12. Tomashov N.D. Teoriya korrozii i korrozionnostoykie materialy [Tekst] / N.D. Tomashov, G.P. Chernova - Moskva: Metallurgiya, 1986. - 359 s.
13. Akshenceva L.P. Metallografiya korrozionnostoykih staley i splavov [Tekst]/L. P. Akshenceva. - Moskva: Metallurgiya, 1991. - 287 s.
14. Arzamasov B.N. Konstrukcionnye materialy: spravochnik [Tekst] /B.N. Arzamasov, V.A. Brostrem, N.A. Bushe. - Moskva: Mashinostroenie, 1990. - 688 s.
15. Gepler Yu.A. Materialovedenie [Tekst] / Yu.A. Geller, A.G. Rahshtadt - Moskva: Metallurgiya, 1989. - 456 s.
16. Grigor'yanc A.G. Uprochnenie poverhnosti splavov lazernym izlucheniem [Tekst]/ A.G. Grigor'yanc, A.N. Safonov, V.M. Tarasenko i dr.// Poverhnost'. Fizika, himiya, mehanika. - 1983. - № 9. - S. 124-131.
17. Kovalenko V.S. Lazernoe i elektroerozionnoe uprochnenie materialov [Tekst] / V.S. Kovalenko, A. D. Verhoturov, L.F. Golovko. - Moskva: Nauka, 1986. - 276 s.
18. Abil'siitov G.A. Modificirovanie poverhnostey materialov s pomosch'yu lazernogo izlucheniya [Tekst] / G.A. Abil'siitov, V.M. Andriyahin, A.N. Safonov - Izv. AN SSSR. Ser. Fizicheskaya. - 1983. − T. 47. − № 8. - S. 1468-1478.
19. Grigor'yanc A.G. Metody poverhnostnoy lazernoy obrabotki [Tekst] / A.G. Grigor'yanc. - Moskva: Vysshaya shkola, 1987. - 192 s.
20. Rykalin N.N. Lazernaya i elektronno-luchevaya obrabotka materialov: spravochnik [Tekst] / N.N. Rykalin, A.A. Uglov, I.V. Zuev, A.N. Kokora. - Moskva: Mashinostroenie, 1985. - 496 s.
