CC BY
183
УДК 621.78.012.8
М.М. Журавлев, О.П. Решетникова, А.Г. Мирошкин ВЛИЯНИЕ МОЩНОСТИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ИЗМЕНЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ
Рассматривается процесс лазерного упрочнения, который является приоритетным направлением для повышения износостойкости и надежности узлов трения и рабочих органов машин. Приведены результаты экспериментов лазерного поверхностного упрочнения деталей типа «вал».
Лазер, упрочнение, вал, микротвердость
M.M. Zhuravlev, O.P. Reshetnikova, A.G. Miroshkin LASER RADIATION POWER EFFECT ON THE HARDNESS ALTERATION OF THE TOOLS SURFACE LAYER
The article considers the process of laser hardfacing, which is aimed at raising wear-resistance and reliability of a friction unit and working parts of machines. It also presents the results of experiments referring such laser hardfacing tools as the «shaft».
Laser, hardfacing, shaft, microhardness
В настоящее время большому числу промышленного оборудования необходим переход на новые наукоемкие технологии, обеспечивающие высокую производительность труда, возможность быстрой смены номенклатуры продукции, полную автоматизацию, экологию производства, высокое качество и конкурентоспособность на мировом рынке. Всеми этими качествами обладают лазерные технологии [1].
Основой процесса лазерного упрочнения является быстрый нагрев до высокой температуры (температуры плавления) поверхностного слоя металла с последующим быстрым охлаждением путем отвода тепла в основной объем металла, который остается практически холодным [4]. Необходимое повышение температуры металла можно получить и стандартными методами - нагревом в термической или индукционной печи. Однако эти методы часто являются непригодными из-за неоднородности нагрева. Кроме того, в крупногабаритных деталях или в деталях сложной конфигурации очень часто необходимо закалить только часть поверхности, а не весь объем детали. Применение в подобных ситуациях лазера является наиболее эффективным решением [2]. Упрочнение лазером может проводиться с оплавлением и без оплавления поверхностного слоя. Чаще всего используют обработку без оплавления с сохранением исходной шероховатости Ra=0,1 - 0,8 мкм. Глубина упрочняемого слоя металла определяется величиной допустимого линейного износа [3].
Рассмотрим применение лазеров для поверхностного упрочнения на примере нежесткого вала типа струны (рис. 1). Длина подобных валов более чем в 20 раз превышает их диаметр. Вал выполнен из рессорной стали марки 25Х2ГНТА и имеет сложную конфигурацию: на одной стороне имеется кулачковый профиль, на другой - шестерня и шлицы. Деталь является ответственной, поскольку используется в авиационной промышленности. Вал в процессе эксплуатации испытывает продолжительные знакопеременные нагрузки при передаче крутящего момента, для чего длинную цилиндрическую часть вала предварительно поверхностно упрочняют.
Рис. 1. Нежесткий вал типа струны
На предприятии-изготовителе упрочнение поверхности осуществляется после операции полирования ударными механическими воздействиями, такими как дробеструйная обработка, обкатка. Однако применение данного метода нерационально, т.к. в этом случае не достигается заданная твердость поверхностного слоя, накапливаются остаточные напряжения, множество деталей уходит в брак. Наиболее рационально применить технологию лазерного упрочнения, поскольку такая технология обеспечит заданные технологические параметры и высокую производительность. Также предлагаемая технология экологически чиста.
Для проведения исследований был изготовлен образец из стали 25Х2ГНТА, закаленной и отпущенной на твердость 41...48 ИИС, в виде цилиндра диаметром 11 мм и длиной 90 мм. Образец закреплялся в приспособлении на столе лазерной установки «Квант-15» и подвергался лазерной обработке по следующим режимам: P=0,5; 0,6 и 0,7 кВт, dП=1,2 мм; У=10 мм/с. Для лучшего поглощения лазерного излучения заготовку предварительно оксидировали, что придало ей черный цвет. На каждом из режимов обработки вдоль оси заготовки проводили лазерным лучом так, чтобы на образующей цилиндра оставался след в виде прямой линии, после чего заготовку поворачивали на определенный угол и повторяли обработку. После окончания обработки образец разрезался электроэрози-онным способом перпендикулярно своей оси на 3 равные части, из которых изготавливались шлифы для дальнейших металлографических исследований и измерения микротвердости упрочненного лазерным излучением слоя (рис. 2). Шлифы травили 4 %-м раствором азотной кислоты в этиловом спирте. Микроструктуру закаленных зон исследовали на световом микроскопе МИМ-10 при увеличении х100. Микротвердость определяли на приборе ПМТ-3 при нагрузке 0,5 Н.
Рис. 2. Вид заготовки после лазерной обработки и обрезки
Металлографическими исследованиями установлено, что в результате воздействия лазерного луча в металле образуется зона термического влияния. Структурные и фазовые превращения в зоне термического влияния приводят к формированию различных по структуре слоев. Поверхностный слой представляет собой плохо травящуюся «белую» зону с мелкоигольчатой мартенситной структурой (зона упрочнения), за ней следует зона повышенной травимости (зона отпуска), переходящая в исходную мартенситную структуру предварительно закаленной стали (рис. 3). Размеры зоны упрочнения зависят от мощности лазера.
С увеличением мощности лазерной обработки увеличиваются как глубина, так и ширина зоны упрочнения. При увеличении мощности более 0,7 кВт при прочих равных условиях на поверхности заготовки появляется окалина, увеличивается шероховатость поверхности.
Измерение микротвердости по глубине зоны термического влияния показало, что в зоне упрочнения при всех режимах лазерной обработки происходит увеличение микротвердости по сравнению с исходной в 1,5-2 раза, причем в большей степени при повышенных мощностях лазера. Следует отметить, что для зоны упрочнения характерен большой разброс значений микротвердости, хотя средние значения очень велики и составляют 9000-12000 МПа. Это связано, в первую очередь, с разнородностью фазового состояния стали. Аппроксимируя эмпирические значения микротвердости, получили график зависимости микротвердости от мощности лазера по глубине на примере стали 25Х2ГНТ (рис. 4).
Рис. 3. Микрошлиф заготовки. Область упрочнения (х100)
При малых значениях мощности (Р=0,5 кВт) падение микротвердости начинается раньше границы зоны упрочнения, а при больших значениях по глубине зоны упрочнения микротвердость практически не изменяется, а затем резко снижается при переходе через границу зоны упрочнения, причем для всех исследованных режимов лазерной обработки микротвердость после перехода границ зон упрочнения составляла 4000-5000 МПа, а затем постепенно увеличивалась до уровня микротвердости исходного материала 5500 МПа. Оказалось также, что протяженность зон отпуска не зависит от режимов термообработки и составляет приблизительно 0,4 мм.
Глубина, мм
Рис. 4. Зависимость микротвердости от мощности лазера по глубине
На основании полученных данных можно сделать вывод, что применение упрочняющей лазерной технологии взамен существующей является более эффективным. Эмпирически была получена зависимость микротвердости упрочненного слоя от мощности лазера по глубине. Были определены оптимальные режимы лазерной обработки деталей типа «вал» для твердотельного лазера на основе алюмоиттриевого граната.
ЛИТЕРАТУРА
1. Чирков А.М. Технология обработки и оборудование: Лазерно-плазменное наноконструирование поверхностных слоев сталей при атмосферных условиях / А.М. Чирков // Фотоника. 2008. № 4. С. 28-30.
2. Бирюков В.П. Лазерные системы для наплавки, упрочнения деталей и точного раскроя листового материала / В.П. Бирюков // Промышленный вестник. 2008. № 3. С. 88-89.
3. Югов В.И. Лазерное упрочнение в практическом применении / В.И. Югов // Ритм. 2009. №6 (44). С. 31-40.
4. Югов В.И. Лазерное термоупрочнение - высокоэффективная технология ресурсосбережения / В.И. Югов // Лазер-информ. 2008. № 23 (398). С. 1-8.
Журавлев Михаил Михайлович -
аспирант кафедры «Технология машиностроения» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Решетникова Ольга Павловна -
аспирант кафедры «Технология машиностроения» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Mikhail M. Zhuravlev -
Postgraduate
Department of Mechanical Engineering Technology Gagarin Saratov State Technical
Olga P. Reshetnikova -
Postgraduate
Department of Mechanical Engineering Technology Gagarin Saratov State Technical University
Мирошкин Артем Григорьевич -
аспирант кафедры «Технология машиностроения» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Artem G. Miroshkin -
Postgraduate
Department of Mechanical Engineering Technology Gagarin Saratov State Technical University
Статья поступила в редакцию 14.07.12, принята к опубликованию 06.11.12
