Лазерное упрочнение поверхности деталей и инструмента

Все более очевидна перспективность использования лазерной термообработки рабочих поверхностей режущего инструмента для повышения его износостойкости. Лазерной обработке подвергались прошедшие стандартную объемную термообработку образцы и режущий инструмент из быстрорежущей стали Р9К5, а также образцы и режущий инструмент из твердого сплава ВК8. Обработку осуществляли на импульсной лазерной установке "Квант-15". Быстрорежущую сталь обрабатывали одиночными импульсами. Плотность энергии лазерного излучения составляла W=0,5-3,0 Дж/мм². Твердый сплав подвергали многоимпульсной обработке с плотностью энергии W=1,0 Дж/мм². Анализ структурно-фазовых изменений, протекающих в быстрорежущей стали Р9К5 и твердом сплаве ВК8 в зоне импульсного лазерного воздействия, в совокупности с результатами производственных испытаний режущего инструмента, обработанного на оптимальных режимах, свидетельствует о целесообразности реализации незначительного (~25-35 мкм) оплавления поверхности в случае быстрорежущей стали и многократного воздействия с одновременным подогревом поверхностного слоя посредством лазерного термоциклирования в случае твердого сплава. С технологической точки зрения перспективным является использование лазерных установок типа "Квант-15".

Применение лазера для поверхностного упрочнения быстрорежущих сталей связано с тем, что стандартная (объемная) термообработка зачастую не обеспечивает получения необходимых свойств инструмента. Исследуя закономерности формирования структуры и свойств поверхностного упрочненного слоя быстрорежущей стали при  различных исходных состояниях материала и параметров лазерного воздействия установили, что:

- при облучении непрерывным СО₂ - лазером с плотностью энергии J=34+3
МДж/м предварительно закаленной и отпущенной при 350-56 °С
быстрорежущей стали Р6М5 формируется упрочненный слой максимальной
толщины и твердости;

- распад остаточного аустенита и интенсивное дисперсное упрочнение в
процессе отпуска при 560-600 °С 1ч способствуют повышению твердости
упрочненного лазером слоя быстрорежущей стали Р6М5 на 2-4 НRCэ и
отпуско-устойчивости на 40-50 °С по сравнению с обычной термообработкой.
Отсутствие в упрочненном слое крупных карбидных частиц снижает
вероятность хрупкого разрушения сколом при эксплуатации режущего
инструмента [18].

Необходимым условием получения заданных свойств рабочих по­верхностей деталей, стойких к абразивному износу, является формирование оптимальной микроструктуры, обладающей высокой прочностью, твердостью и пластичностью. Проводились исследования с различной глубиной зоны лазерного воздействия, где в качестве материала использовалась конструкционная нормализованная сталь 40. Лазерную обработку осуществляли на непрерывном СО₂ - лазере "КОМЕТА" при мощности излучения 0,8 кВт. Скорость перемещения луча по обрабатываемой поверхности изменяли от 40 до 60 мм/с. В результате проведенных исследований установили, что увеличение скорости перемещения луча по обрабатываемой поверхности от 40 до 60 мм/с приводит к уменьшению толщины слоя от 1,0 до 0,4 мм. При этом по всей глубине зоны лазерного воздействия наблюдается пониженное содержание углерода в мартенсите. Значения микротвердости и износостойкости в этом случае также имеютпониженные значения. Поэтому повышение микротвердости и износостойкости при лазерной обработке достигается за счет формирования в при поверхностных слоях структуры мелкодисперсного мартенсита с содержанием углерода, близкому составу стали. Высокий уровень микротвер­дости и триботехнических свойств в зоне термического влияния (на глубине 0,3-0,8 мм) обусловлен сочетанием малоуглеродистого мартенсита и троостита. Также при выборе режимов обработки надо исходить из условий эксплуатации реальных деталей и требований, предъявляемых к их рабочим поверхностям.

9.3.ЛАЗЕРНОЕ ОПЛАВЛЕНИЕ ГАЗОТЕРМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ

Метод лазерного оплавления, предварительно напыленных, газотермиче­ских покрытий с точки зрения структурных превращений в покрытиях и прак­тике использования в производстве является достаточно изученным. Однако, имея четко выраженную область своего применения, по ряду факторов этот процесс уступает оплавлению электронным пучком: значительно более низкий КПД, дополнительные экономические затраты на защиту расплава от насыщения газами из атмосферы, более высокая стоимость оборудования при мощности более 2 кВт.

Оплавление газотермических покрытий может выполняться как на всю толщину, так и частично (рис. 11.2.) в зависимости от конкретных условий эксплуатации покрытий.

 

Рис. 11.2 Микроструктура напыленного покрытия из Ni-Сг-В-Si– сплава, переплавленного лазером:

 а) полное проплавление;

 б) неполное проплавление. 400^х

9.4.ЛАЗЕРНАЯ НАПЛАВКА

Эксплуатационные характеристики защитных слоев, полученных в процессе лазерной наплавки, технологические приемы, схемы подробно представлены в научно-технической литературе. В работах В.Е.Архипова, Е.М.Биргера (ВНПО "Ремдеталь") показано, что использование лазерной наплавки для восстановления и упрочнения локальных рабочих поверхностей, подвергающихся износу в условиях сухого трения и трения скольжения, например, детали газораспределительного механизма двигателей внутреннего сгорания, повышает износостойкость в 3 раза и более.Среди изучаемых вопросов наибольшее место занимают исследования технологического характера: схемы подачи порошковых сплавов в зону наплавки, влияние режимов наплавки, на геометрические параметры наплавленных покрытий и характер возникновения внутренних напряжений, приводящих к трещинообразованию.

Рис. 9.3. Микроструктура наплавленного валика из сплава ПГ-СР2 с трещиной (800^х) [72].

Следует отметить, что лазерная наплавка, выполняемая обычно при мощ­ности порядка 1 кВт в среде защитного газа, по сравнению с наплавкой элек­тронными пучками имеет одно серьезное преимущество - возможность выпол­нения технологической операции нанесения защитного покрытия практически любого габарита, не ограниченного конструктивными размерами вакуумной камеры. Вместе с тем, для этого способа характерны недостатки, рассмотренные выше, среди которых наиболее значительными являются сильная зависимость качества наплавляемого металла от степени защиты его от окисления (которая всегда хуже, чем защита в вакууме), низкий КПД процесса (термический КПД лазерного нагрева составляет порядка 7... 15 % в сравнении с 75 % для элек­троннолучевого нагрева), более высокая стоимость лазерного оборудования, более сложные электромеханические системы управления потоком лазерного излучения.

Подача порошка

Луч лазера

Валик

Рис. 9.4. Схема газопорошковой лазерной наплавки с подачей порошка вслед движению (а) и навстречу движению образца (б)

Известны результаты, полученные при наплавке самофлюсующихся порошков различного химического состава системы Ni-Сг-В-Si: (ПР-Н77Х15СЗР2, ПГ-10Н-01, ПГ-12Н-02) с подачей их в зону действия лазерного излучения дозатором - питателем.

Известно, что лазерная наплавка рабочих поверхностей пуансонов из стали 5ХНМ дает повышение стойкости на кривошипном прессе в 2 раза, на горизонтально-ковочной машине - в 6 раз, повышение жаропрочности наплавок в 4...5 раз по сравнению с вакуумно-плазменным покрытием.

Оценка износостойкости на трение скольжения по пальчиковой схеме показала, что стойкость никель-хром-бор-кремниевых сплавов, наплавленных лазерным излучением, в 3...5 раз выше износостойкости плазменного покрытия, оплавленного газовой горелкой и 10 раз выше, чем наплавленных токами высокой частоты.

Зарубежные специалисты в области лазерного упрочнения и наплавки (Е.Вгет, С.Лгош, М.Сарр) используют установки с выходной мощностью от 1,5 до 20 кВт; имеются сообщения о применении лазера мощностью 100 кВт. Лазерная наплавка используется по следующим основным направлениям:

В зарубежных публикациях по лазерной наплавке большое внимание уделяется процессам оплавления плазменных покрытий. Это приводит к устранению пористости, присущей процессам напыления, а также к значительному повышению прочности сцепления покрытия с основой. Положительными моментами оплавления покрытий из самофлюсующихся Ni-Сг-В-Si сплавов является существенное уменьшение шероховатости поверхности и повышение коррозионной стойкости.

Лазерная наплавка, благодаря возможности точной подачи энергии, хорошей воспроизводимости результатов, возможности полной автоматизации и другим положительным эффектам значительно расширяет технологические возможности производства, повышает его экономический и технический уровень, улучшает служебные свойства новой техники. Однако лазерная наплавка имеет определенную область применения и присущие ей недостатки и   поэтому в некоторых случаях уступает другим методам наплавки, в том числе и с использованием электронных пучков.

10.1 ЭЛЕКТРОННОЛУЧЕВЫЕ МЕТОДЫ УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ

10.2.ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ТЕХНОЛОГИЙ

Различают следующие виды технологий упрочнения и создания защитных покрытий:

1. Закалка из твердой фазы;

2. Оплавление поверхности (самозакалка из жидкого состояния);

3. Оплавление материала, предварительно нанесенного на поверхность деталей
(плакирование);

4. Прямая наплавка порошковых, проволочных и ленточных материалов в вакууме.

Осуществляются технологии с использованием двух видов энергии:

1. низкоэнергетическими пучками в вакууме;

2. релятивистскими электронными пучками (РЭП)

Основными предметами изучения в этом технологическом процессе являются изменения структуры и твердости разнообразных покрытий после электроннолучевого оплавления. Для создания таких покрытий преимущест­венно используются самофлюсующиеся порошковые сплавы системы Ni-Сг-В-Si, иногда с добавками карбидов вольфрама, других тугоплавких металлов, или керамические материалы.

10.3.НАПЛАВКА РЕЛЯТИВИСТСКИМИ ЭЛЕКТРОННЫМИ ПУЧКАМИ

Наплавка релятивистскими электронными пучками (РЭП) порошко­вых сплавов, преимущественно на основе Ni, электронным пучком с энергией 1,2 МэВ и мощностью более 20 кВт в атмосфере. Коэффициент относительной износостойкости наплавленных покрытий (сплав ПГ-СР4) в 1,34... 1,41 раза выше, чем стали 45. Как правило, отмечается хорошее качество наплавок: поры, подрезы, непроплавы и пережоги отсутствуют. Термические деформа­ции детали также были незначительны (составляли 0,3 мм при общей длине детали 770 мм) и находились в пределах установленных допусков.

Для процесса наплавки защитных покрытий РЭП характерна ручная предварительная насыпка и разравнивание порошкового сплава на поверхно­сти детали. Ввиду того, что насыпная плотность порошковых сплавов со­ставляет около 0,5...0,6 от плотности наплавленного металла, то создание покрытия равномерной толщины и ширины по всей его длине становится за­труднительным.

Прямая подача порошковых сплавов в зону действия мощного электронного пучка не обеспечит процесс наплавки, так как частицы по­рошка, приобретая электрический заряд при пролете через зону действия электронного пучка, будут удаляться из зоны наплавки.

Также следует отметить чрезмерно большую энергоемкость этого процесса, что не всегда экономически оправданно и имеет смысл только там, где использование других методов технически невозможно. Известны случаи достижения высоких скоростей (2500 м/с) и производительности (6 м²/ч) на­плавки релятивистскими электронными пучками, но это возможно при ис­пользовании электронных пучков мощностью до 40 кВт, что почти в 10 раз больше, чем для аналогичного процесса наплавки низкоэнергетическим электронным пучком в вакууме.

Кроме того, процесс наплавки РЭП в атмосфере сопровождается рядом опасных и вредных факторов:

- выведенный в атмосферу электронный пучок, электроны рассеиваются
от изделия в различных направлениях, тормозное излучение, возникающее как
при торможении пучка электронов непосредственно в облучаемом изделии,
так и вследствие частичных потерь на узлах и деталях пролетного тракта ускорителя;

- озон и окислы азота, образующиеся при прохождении через воздух
прямых и отраженных электронов;

- большое количество паров окислов меди и металлов, испаряющихся с по­верхности ванны жидкого металла непосредственно в процессе наплавки.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: