ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ИЗДЕЛИЙ ИЗ ЧУГУНА МЕТОДОМ ЛАЗЕРНОЙ ЗАКАЛКИ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 62

В.С. Хохлов

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ИЗДЕЛИЙ ИЗ ЧУГУНА МЕТОДОМ ЛАЗЕРНОЙ ЗАКАЛКИ

В данной работе рассматривается проблема износостойкости рабочих поверхностей деталей машин. Применение сравнительно недорогих материалов для деталей машин позволяет существенно снизить затраты на изготовление. В качестве недорогой альтернативы стали уже давно применяется чугун. Однако довольно часто недорогие материалы в частности чугуны, не могут отвечать требуемым характеристикам и выдерживать необходимые нагрузки, поэтому повышение эксплуатационных характеристик этих материалов является актуальной задачей. Одним из недооценённых методов повышения эксплуатационных характеристик поверхностей деталей является лазерная закалка. Применение в качестве источников современных оптоволоконных лазеров позволяет расширить возможности производственной системы и открывает новые способы термической обработки железных изделий.

Ключевые слова: лазерная закалка, оптоволоконный лазер, термоупрочнение, чугун.

Лазерной закалкой обозначается термическая обработка, при которой происходит быстрый нагрев изделия, выдержка и затем быстрое охлаждение. На структуру обрабатываемого материала влияет несколько параметров, такие как: мощность лазерного пучка и скорость прохода. Данной технологией можно создавать поверхностное упрочнение или исправлять поверхностные дефекты. Также она является относительно недорогой.

Прогресс не стоит на месте, постоянно совершенствуются технологии изготовления деталей машин, не последнее место занимают технологии, связанные с улучшением физико-механических свойств изнашиваемых поверхностей. Использование для изготовления деталей недорогих материалов в совокупности с улучшением изнашиваемых поверхностей различными прогрессивными методами, позволяет значительно снизить себестоимость детали при возможности её эксплуатации в течении рекомендуемого периода [1, 2].

Формирование специальных структур в поверхностном слое детали, повышающих эксплуатационные характеристики, является актуальной задачей.

Чугуны широко используются в машиностроении в частности для изготовления корпусных деталей. В ряде случаев из-за тяжёлых локальных нагрузок и значительного износа (абразивный, адгезионный, усталостный и другие виды износа) возникает необходимость в поверхностном упрочении проблемных зон. Современный уровень развития лазерной техники и лазерных технологий позволяет рассматривать лазеры как удобный, экономичный и надёжный инструмент для поверхностного термоупрочнения широкой номенклатуры изделий машиностроения [3-5].

Уникальные способности лазерного луча обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными методами термообработки. Это полное отсутствие или минимальные остаточные деформации; сохранение геометрических размеров детали в пределах допуска (при лазерной обработке, без расплавления поверхности); возможность доставки луча по оптическому волокну для обработки наиболее труднодоступных участков, без какого-либо воздействия на другие части изделия. После лазерной закалки не требуется проведение технологической операции отпуска [5]. Так же этим методом обработки можно устранять поверхностные дефекты, добиваться измельчения и перераспределения различных включений, присущих чу-гунам.

Стоит отметить определённые проблемы, с которыми можно столкнуться при лазерной обработке. Основной проблемой является выбор оптимального режима закалки, под которым подразумевается необходимая мощность лазерного пучка и скорость прохода лазера. Всё это необходимо для получения заданной структуры, с определённой толщиной закалённого слоя без наличия дефектов. Для лазерной обработки

© Хохлов В.С., 2018.

Научный руководитель: Илюшкин Дмитрий Алексеевич - кандидат технических наук, доцент, Брянский государственный технический университет, Россия.

Вестник магистратуры. 2018. № 12-4(87)

ISSN 2223-4047

с проплавлением поверхности на определённую глубину требуются дорогие лазерные установки большой удельной мощности и более длительное время воздействия на обрабатываемую поверхность, необходимое для полного растворения графита в расплаве. При этом значительно ухудшается исходная шероховатость обрабатываемой поверхности [5].

Лазерная обработка с оплавлением поверхности в большинстве случаев проводится для получения ледебуритных упрочнённых слоёв, обладающих утончённой структурой.

Целью работы являлось определение влияния лазерной упрочняющей обработки оптоволоконным лазером на структуру и свойства чугуна. Для эксперимента были выбраны образцы из серого чугуна [6].

В процессе экспериментального исследования мы изучали процесс лазерной закалки образцов при помощи иттербиевого волоконного лазера ЛС-1. Обработку образцов проводили с частичным оплавлением поверхности (рис. 1). После обработки был изготовлен микрошлиф поперечного сечения образца.

Рис. 1. Образец из серого чугуна обработанный лазером с частичным оплавлением поверхности.

Рис. 2. Поперечное сечение зоны обработки (1 - исходная структура; 2 - зона термического влияния (ЗТВ); 3 - зона оплавления)

На рисунке 2 показано поперечное сечение зоны обработки образца из серого чугуна. Отчётливо видно 3 структуры. В зоне оплавления вследствие того, что кристаллизация протекает очень быстро, избыточные фазы (аустенит или цементит) не успевают выделиться, поэтому мы получаем (мелкую) структуру ледебурита, которая должна обеспечить высокие свойства. В зоне термического влияния находится небольшая полоса, состоящая из мелкодисперсного мартенсита. Исходная структура данного чугуна - перлит.

Подводя итог исследования о закалке серого чугуна иттербиевым волоконным лазером можно сделать заключение о возможности применения оптоволоконных лазеров для повышение эксплуатационных характеристик деталей машин, изготовленных из чугунов. При исследовании в зоне оплавления была получена структура ледебурита, а в зоне термического влияния мелкодисперсный мартенсит, что свидетельствует об удачной поверхностной закалке, а следовательно и о повышении износостойкости поверхности.

Библиографический список

1.Матвеев Ю. И., Казаков С. С. Особенности лазерной обработки поршневых колец судовых среднеоборотных дизелей // Вестник АГТУ. Сер.: Морская техника и технология. № 2. 2010. С. 34-38.

2.Кострицкий В. В., Лисовский А. Л. Лазерная обработка гильз цилиндров // Вестник Брестского государственного технического университета. № 4. 2012. С. 46-49.

3.Ситкина Л. П., Яресько С. И. Эффективность технологии лазерной упрочняющей обработки в инструментальном производстве // Известия Волгоградского государственного технического университета. Т. 9. № 7 (110). 2013. С. 40-43.

4.Бирюков В. Изменение структуры и свойст сталей при лазерном упрочнении // Фотоника. № 3 (33). 2012. С.

22-26.

5.Mordike B. L. Improvement of wear properties by laser surface treatment. // B. L. Mordike // Proc. 3d European Conf. «Laser Treatment of Materials. ECLAT90» 2 Vol. Eds. H. W. Bergmann, R. Kupfer. - Vol. 1. - P. 371-376.

6.Григорьянц А. Г. Основы лазерного термоупрочнения сплавов // А. Г. Григорьянц, А. Н. Сафонов. - М.: Высш. шк., 1988. - 158с.

ХОХЛОВ ВАСИЛИЙ СЕРГЕЕВИЧ - магистрант, Брянский государственный технический университет, Россия.