eng
Выпуск #3/2009
В.Бирюков.
Восстановление и упрочнение поверхностей лазерным излучением
Восстановление и упрочнение поверхностей лазерным излучением
Просмотры: 2730
Физико-механические свойства поверхностных слоев, упрочненных лазерным излучением, связаны с высокими скоростями нагрева и охлаждения. Сложные процессы приводят к возникновению мелкодисперсных приповерхностных структур. В статье приведены результаты металлографических исследований образцов, упрочненных излучением СО2-, твердотельных и волоконного лазеров.
При обработке поверхности лазерным лучом круглой формы в центре пятна время воздействия пропорционально его диаметру, а по краям оно падает до нуля. В результате при упрочнении поверхности детали по краям дорожки возникают значительные зоны отпуска и теряется до 40% энергии. Кроме того, распределение энергии внутри пятна неравномерно, что ведет к неравномерности физико-механических свойств упрочненного слоя. Для устранения этих недостатков разработаны сканирующие устройства. Колеблющиеся и вращающиеся с частотой 150–600 Гц зеркала позволяют получить на поверхности пятно прямоугольного или квадратного сечения с равномерным распределением мощности. При этом резко уменьшаются зоны отпуска, с 0,5–1,5 мм до 0,1–0,2 мм на границе упрочненный слой – основной материал. Опыт показал, что на оптимальных режимах производительность обработки в 2 раза выше, чем при упрочнении круглым расфокусированным лучом без высокочастотного сканирования.
Лазерное упрочнение
Разработанные лазерные технологии в зависимости от вариаций мощности установки и режимов обработки упрочняют образцы с шириной зоны 5–20 мм и глубиной 0,5–2,0 мм. Весомые преимущества лазерной обработки по сравнению с традиционными методами термической обработки материалов – это отсутствие дополнительных операций отпуска. Отпуск снимает внутренние напряжения, но при этом – снижает твердость обработанного слоя. Сравните: твердость стали 40Х после термической обработки 48–52 HRC, а после упрочнения лазерным лучом 58–62 HRC.
В результате нагрева выше температуры плавления нормализованной стали 45 (рис.1) в верхнем слое глубиной 20–25 мкм наблюдается полное растворение ферритной сетки. Микротвердость в этой зоне 7500–8200 МПа. Ниже следует зона закалки из твердого состояния с микротвердостью 7200–8500 МПа. На месте бывших перлитных зерен образовался мартенсит с небольшим количеством остаточного аустенита. Глубина зоны термического влияния (ЗТВ) составила 0,55–0,60 мм при ширине зоны 9,8 мм. Микротвердость ферритных зерен составляет 2800–3500 МПа при исходной твердости феррита 980–1100 МПа. Повышение микротвердости связано с фазовым наклепом. При закалке сталей, прошедших закалку и отпуск после лазерного упрочнения, за вторым слоем следует третий – зона отпуска. При лазерном упрочнении газовыми лазерами необходимо использовать поглощающие покрытия для металлов для уменьшения потерь энергии из-за отражения.
Мы использовали лазерные установки TRUMPF HL4006D c ламповой накачкой мощностью излучения до 4000 Вт и волоконный лазер ЛС–3 мощностью до 3000 Вт, не нанося на образцы поглощающее покрытие. Лазерному упрочнению подвергали образцы стали 40Х размером 15×20×70 мм с начальной твердостью НВ 260–280. Предварительное математическое планирование экспериментов [1] подсказало оптимальные режимы обработки [2]: мощность излучения– Р (1–3 кВт), скорость перемещения луча – v (0,006–0,04 м/с), диаметр лазерного луча – d (3–9,5 мм).
На поверхность образца наносили три упрочненных дорожки длиной 20 мм, отмечая конец каждой дорожки остановкой лазерного луча на 0,5 секунды. Он оставлял след шириной более ЗТВ, заданной скоростью движения луча. Например, луч с Р = 3 кВт, d = 9,5 мм (на образце) и v = 0,04 м/с оставлял дорожку шириной 6,0 мм. Фактический диаметр луча больше, поскольку размер пятна измерен по результатам нагрева выше цветов побежалости. Контроль глубины лазерной закалки и микроструктуры проводили стандартным металлографическим методом по срезу, выполненному перпендикулярно движению луча. Для травления использовали 3%-раствор азотной кислоты в этиловом спирте, а для измерения микротвердости при нагрузке 0,98 Н использовали прибор ПМТ-3. Результаты металлографических исследований приведены в таблице. Оптимальные режимы обеспечили обработку поверхности без оплавления.
Лазерная наплавка
Лазерные технологии минимизируют оплавление поверхности материала основы. Поэтому свойства наплавленного слоя определяются свойствами порошкового материала и режимами лазерного воздействия. Результаты экспериментальной наплавки порошка на никелевой основе ПВ-Н70Ю30 с гранулометрическими размерами 20–60 мкм на титановый сплав ВТ4 показали, что микротвердость наплавленного слоя изменяется в пределах 7240–8600 МПа при средней твердости материала основы 3600 МПа. Ширина зоны – 6 мм при толщине наплавленного слоя 0,5–0,6 мм. Металлографические исследования проводили на приборе ПМТ-3 при нагрузке 0,98 Н. Связующее вещество в обмазке – водный раствор оксиэтилцеллюлозы. Наплавку производили при мощности излучения 1,5 кВт, частоте сканирования луча 225 Гц. Оплавление покрытия производили на воздухе, без использования защитных газов. Дефектов в виде отслоений, раковин или пор в наплавленном слое не обнаружено. На рис.2 представлен фрагмент лазерной наплавки порошковых покрытий, где используется оптическая головка с металлическими зеркалами, установленными в устройства, сканирующие лазерный луч.
Проведена исследовательская работа по лазерной наплавке материалов для почвообрабатывающих орудий. Эксперименты проводились на образцах стали 65Г на лазерной установке "Комета-М", для пространственного управления лазерным лучом использовали сканер [3]. На поверхность образцов с размерами 25×80×10 мм наносилась обмазка на водной основе оксиэтилцеллюлозы с порошком ФБХ6-2. При нагревании лазерным излучением оксиэтилцеллюлоза выгорает с выделением дополнительной теплоты. На рис.3. представлен микрошлиф поперечного сечения образца, а результаты исследования его микротвердости приведены на рис.4.
Средняя твердость материала основы образцов составляла 2200 МПа. При воздействии на поверхность лазерным лучом Р = 1400 Вт, при частоте сканирования 200–225 Гц, был получен видоизмененный слой, геометрические параметры которого составляют: ширина зоны термического влияния – 7 мм при глубине 1,1 мм, ширина легированного слоя – 4,5 мм. Глубина зоны закалки из твердого состояния – 0,6 мм, а легированного слоя 0,3 мм. Присутствует небольшой слой наплавленного порошка толщиной 0,2–0,3 мм, ширина которого не совпадает с шириной легированного слоя, полученного перемешиванием расплавленных частиц порошка в жидкой ванне материала основы, она больше на 1,0–1,8 мм.
Для образца № 2 (рис.5) геометрические параметры зоны термического влияния составили: ширина зоны – 8,1 мм, ширина легированного слоя – 5 мм, общая глубина зон закалки, легирования и наплавки – 1,35 мм, в том числе легированного слоя – 0,5 мм и наплавленного слоя 0,3–0,35 мм. В этом образце имел место более глубокий переплав, поэтому скорость охлаждения материала была ниже. Минимальный слой наплавленного металла при лазерной наплавке в последнем случае обусловлен требованием сохранения геометрии поверхностности. В результате обработки, по первому режиму (образец №1) наблюдается незначительное изменение геометрических размеров. Это важное замечание для обработки реальных деталей: например, при наплавке режущей кромки почвообрабатывающих орудий геометрия рабочей поверхности не должна изменяться.
Толщины слоев (наплавленного, легированного и закаленного), полученных лазерными методами, достаточны для снижения коррозионного и абразивного изнашивания поверхности инструментов. В сравнении с закалкой образцов токами высокой частоты эти результаты выше в 3–5 раз, а в сравнении с индукционной наплавкой такого же порошка – выше в 3–4 раза. Отметим, что получение высоких физико-механических свойств поверхностных слоев связано с высокими скоростями нагрева и охлаждения, которые составляют 104–106 °С/с.
Литература
1. Евдокимов Ю., Колесников В., Тетерин А. Планирование и анализ экспериментов при решении задач трения и износа. – М.: Наука 1982.
2. Бирюков В., Белых А. Применение мощных твердотельных лазеров для упрочнения поверхностей трения: Сборник научных трудов и инженерных разработок. – М.: ИМАШ РАН, 2007.
3. Бирюков В. Промышленное применение СО2 лазеров для наплавки, упрочнения и точного раскроя листового материала. – Тяжелое машиностроение. 2006, №4.
Лазерное упрочнение
Разработанные лазерные технологии в зависимости от вариаций мощности установки и режимов обработки упрочняют образцы с шириной зоны 5–20 мм и глубиной 0,5–2,0 мм. Весомые преимущества лазерной обработки по сравнению с традиционными методами термической обработки материалов – это отсутствие дополнительных операций отпуска. Отпуск снимает внутренние напряжения, но при этом – снижает твердость обработанного слоя. Сравните: твердость стали 40Х после термической обработки 48–52 HRC, а после упрочнения лазерным лучом 58–62 HRC.
В результате нагрева выше температуры плавления нормализованной стали 45 (рис.1) в верхнем слое глубиной 20–25 мкм наблюдается полное растворение ферритной сетки. Микротвердость в этой зоне 7500–8200 МПа. Ниже следует зона закалки из твердого состояния с микротвердостью 7200–8500 МПа. На месте бывших перлитных зерен образовался мартенсит с небольшим количеством остаточного аустенита. Глубина зоны термического влияния (ЗТВ) составила 0,55–0,60 мм при ширине зоны 9,8 мм. Микротвердость ферритных зерен составляет 2800–3500 МПа при исходной твердости феррита 980–1100 МПа. Повышение микротвердости связано с фазовым наклепом. При закалке сталей, прошедших закалку и отпуск после лазерного упрочнения, за вторым слоем следует третий – зона отпуска. При лазерном упрочнении газовыми лазерами необходимо использовать поглощающие покрытия для металлов для уменьшения потерь энергии из-за отражения.
Мы использовали лазерные установки TRUMPF HL4006D c ламповой накачкой мощностью излучения до 4000 Вт и волоконный лазер ЛС–3 мощностью до 3000 Вт, не нанося на образцы поглощающее покрытие. Лазерному упрочнению подвергали образцы стали 40Х размером 15×20×70 мм с начальной твердостью НВ 260–280. Предварительное математическое планирование экспериментов [1] подсказало оптимальные режимы обработки [2]: мощность излучения– Р (1–3 кВт), скорость перемещения луча – v (0,006–0,04 м/с), диаметр лазерного луча – d (3–9,5 мм).
На поверхность образца наносили три упрочненных дорожки длиной 20 мм, отмечая конец каждой дорожки остановкой лазерного луча на 0,5 секунды. Он оставлял след шириной более ЗТВ, заданной скоростью движения луча. Например, луч с Р = 3 кВт, d = 9,5 мм (на образце) и v = 0,04 м/с оставлял дорожку шириной 6,0 мм. Фактический диаметр луча больше, поскольку размер пятна измерен по результатам нагрева выше цветов побежалости. Контроль глубины лазерной закалки и микроструктуры проводили стандартным металлографическим методом по срезу, выполненному перпендикулярно движению луча. Для травления использовали 3%-раствор азотной кислоты в этиловом спирте, а для измерения микротвердости при нагрузке 0,98 Н использовали прибор ПМТ-3. Результаты металлографических исследований приведены в таблице. Оптимальные режимы обеспечили обработку поверхности без оплавления.
Лазерная наплавка
Лазерные технологии минимизируют оплавление поверхности материала основы. Поэтому свойства наплавленного слоя определяются свойствами порошкового материала и режимами лазерного воздействия. Результаты экспериментальной наплавки порошка на никелевой основе ПВ-Н70Ю30 с гранулометрическими размерами 20–60 мкм на титановый сплав ВТ4 показали, что микротвердость наплавленного слоя изменяется в пределах 7240–8600 МПа при средней твердости материала основы 3600 МПа. Ширина зоны – 6 мм при толщине наплавленного слоя 0,5–0,6 мм. Металлографические исследования проводили на приборе ПМТ-3 при нагрузке 0,98 Н. Связующее вещество в обмазке – водный раствор оксиэтилцеллюлозы. Наплавку производили при мощности излучения 1,5 кВт, частоте сканирования луча 225 Гц. Оплавление покрытия производили на воздухе, без использования защитных газов. Дефектов в виде отслоений, раковин или пор в наплавленном слое не обнаружено. На рис.2 представлен фрагмент лазерной наплавки порошковых покрытий, где используется оптическая головка с металлическими зеркалами, установленными в устройства, сканирующие лазерный луч.
Проведена исследовательская работа по лазерной наплавке материалов для почвообрабатывающих орудий. Эксперименты проводились на образцах стали 65Г на лазерной установке "Комета-М", для пространственного управления лазерным лучом использовали сканер [3]. На поверхность образцов с размерами 25×80×10 мм наносилась обмазка на водной основе оксиэтилцеллюлозы с порошком ФБХ6-2. При нагревании лазерным излучением оксиэтилцеллюлоза выгорает с выделением дополнительной теплоты. На рис.3. представлен микрошлиф поперечного сечения образца, а результаты исследования его микротвердости приведены на рис.4.
Средняя твердость материала основы образцов составляла 2200 МПа. При воздействии на поверхность лазерным лучом Р = 1400 Вт, при частоте сканирования 200–225 Гц, был получен видоизмененный слой, геометрические параметры которого составляют: ширина зоны термического влияния – 7 мм при глубине 1,1 мм, ширина легированного слоя – 4,5 мм. Глубина зоны закалки из твердого состояния – 0,6 мм, а легированного слоя 0,3 мм. Присутствует небольшой слой наплавленного порошка толщиной 0,2–0,3 мм, ширина которого не совпадает с шириной легированного слоя, полученного перемешиванием расплавленных частиц порошка в жидкой ванне материала основы, она больше на 1,0–1,8 мм.
Для образца № 2 (рис.5) геометрические параметры зоны термического влияния составили: ширина зоны – 8,1 мм, ширина легированного слоя – 5 мм, общая глубина зон закалки, легирования и наплавки – 1,35 мм, в том числе легированного слоя – 0,5 мм и наплавленного слоя 0,3–0,35 мм. В этом образце имел место более глубокий переплав, поэтому скорость охлаждения материала была ниже. Минимальный слой наплавленного металла при лазерной наплавке в последнем случае обусловлен требованием сохранения геометрии поверхностности. В результате обработки, по первому режиму (образец №1) наблюдается незначительное изменение геометрических размеров. Это важное замечание для обработки реальных деталей: например, при наплавке режущей кромки почвообрабатывающих орудий геометрия рабочей поверхности не должна изменяться.
Толщины слоев (наплавленного, легированного и закаленного), полученных лазерными методами, достаточны для снижения коррозионного и абразивного изнашивания поверхности инструментов. В сравнении с закалкой образцов токами высокой частоты эти результаты выше в 3–5 раз, а в сравнении с индукционной наплавкой такого же порошка – выше в 3–4 раза. Отметим, что получение высоких физико-механических свойств поверхностных слоев связано с высокими скоростями нагрева и охлаждения, которые составляют 104–106 °С/с.
Литература
1. Евдокимов Ю., Колесников В., Тетерин А. Планирование и анализ экспериментов при решении задач трения и износа. – М.: Наука 1982.
2. Бирюков В., Белых А. Применение мощных твердотельных лазеров для упрочнения поверхностей трения: Сборник научных трудов и инженерных разработок. – М.: ИМАШ РАН, 2007.
3. Бирюков В. Промышленное применение СО2 лазеров для наплавки, упрочнения и точного раскроя листового материала. – Тяжелое машиностроение. 2006, №4.
Отзывы читателей
