Технология лазерного упрочнения поверхностей стальных деталей

Обновлено: 07.01.2025

Износостойкость, усталостная прочность, коррозионная стойкость, герметичность соединений, прочность посадок – во многом эти свойства деталей и соединений определяют надежность и долговечность оборудования и конструкций. Рассмотрены результаты применения лазерных технологий улучшения свойств поверхности металлов и неметаллов – лазерной очистки и лазерного наклепа.

Часто разрушение деталей механизмов начинается с поверхности. Поэтому, обеспечив заданное проектировщиком качество поверхностного слоя детали, можно уверенно прогнозировать надежность работы всего механизма. Таким образом, решение проблемы повышения качества механизмов, оборудования, конструкций и приборов лежит в области обеспечения эксплуатационных характеристик поверхностного слоя деталей. При этом вопрос касается как геометрических параметров, так и физико-химических свойств покрытий и самого поверхностного слоя. Лазерные технологии, все новые и новые варианты их использования в науке и технике способны повысить эксплуатационное качество поверхностного слоя детали.
ЛАЗЕРНАЯ ОЧИСТКА
Лазеры только появились, и уже тогда технологи мгновенно обратили внимание на возможности использования "чистой лучевой энергии" в качестве средства для очистки. Импульсный высококонцентрированный световой пучок способен моментально нагреть тонкий поверхностный слой материала так, что тот просто испарится без заметного воздействия на материал, расположенный глубже. Заметим, в ряде случаев при этом материал покрытия даже не испытает термического разложения, а загрязнения, сопровождающиеся образованием и выделением токсичных или нежелательных веществ, не успеют появиться. В результате мы имеем уникальный по своим свойствам метод очистки, лишенный всех тех недостатков, которые присущи классическим механическим и химическим методам очистки. Отметим, что проявление дополнительных эффектов, связанных с генерацией в приповерхностном слое термоупругих напряжений и ударных акустических волн, повышает производительность процесса очистки, дополняя усилия по "отрыву" загрязнений от поверхности.

Развитию технологий лазерной очистки в основном препятствовали экономические проблемы (стоимость инструмента) и низкая производительность процесса. Интересно, что лазерные методы очистки уже давно успешно используют в реставрации для очистки музейных ценностей – области, где стоимость и производительность не играют такой определяющей роли.
Появление надежных, компактных и достаточно недорогих лазерных источников – иттербиевых волоконных лазеров с высоким КПД и большим сроком службы (до 100 000 ч) позволило совершить переход на новый качественный уровень технологиям лазерной очистки. Применение новых источников лазерного излучения в технологиях лазерной очистки обеспечивает выполнение высоких современных требований к экологичности производства. В ряде промышленно развитых стран работают компании, чьи функции связаны исключительно с разработками оборудования и методов лазерной очистки.
Схема процесса лазерной очистки (рис.1) предельно проста – излучение импульсного лазера фокусируют на поверхности детали. Причем размер пятна должен быть таким, чтобы плотность мощности излучения за время импульса приводила к быстрому повышению температуры поверхностного слоя до температуры его разрушения (испарения или сублимации). Ориентировочная величина такой плотности мощности составляет 107–1010 Вт/см2 и более. При фокусировке излучения в пятно диаметром порядка 0,2 мм для достижения такой плотности мощности достаточно использовать импульсный волоконный лазер со средней мощностью всего 10 Вт.
В настоящий момент на базе импульсных волоконных лазеров производства IPG Photonics уже разработаны системы лазерной очистки. Наиболее компактным и доступным для конечного потребителя классом оборудования для лазерной очистки являются ранцевые устройства. Основным зарубежным производителем таких компактных систем лазерной очистки является немецкая фирма Clean-Lasersysteme GmbH. В России подобные системы разработала компания ООО "НПП ВОЛО".
Использование технологии
лазерной очистки
Область задач, в решении которых используются технологии лазерной очистки, простирается от операций удаления загрязнений до операций снятия покрытий, нанесенных на изделие в процессе его изготовления. Чаще всего лазерная очистка используется для:
удаления лакокрасочных покрытий,
удаления гальванических покрытий,
удаления эксплуатационных загрязнений,
удаления биологических загрязнений,
предварительной обработке поверхности перед склеиванием или нанесением каких-либо функциональных покрытий для увеличения ее адгезионных свойств,
удаления СОЖ,
удаления следов коррозии,
удаления консервационных покрытий и комбинированных загрязнений.
Многообразие применений лазерной очистки порождает многообразие лазерных устройств, предназначенных для решения этих задач. Для глубокого проникновения на рынок и широкого распространения подобные лазерные устройства должны обладать рядом достоинств. Во-первых, лазерное оборудование очистки должно иметь низкую стоимость. Во-вторых, обеспечивать низкую стоимость при эксплуатации. В-третьих, проявить высокую надежность в работе. В-четвертых, обладать компактностью, простотой устройства и удобством в работе.
Компании "НПП "ВОЛО" удалось в своих изделиях – ранцевом оборудовании для лазерной очистки (рис.2) выполнить эти условия. Во-первых, цена ранцевого оборудования для лазерной очистки примерно равна стоимости годовой эксплуатации пескоструйного оборудования. Во-вторых, оборудование для лазерной очистки практически не требует никаких эксплуатационных расходов. В-третьих, средний ресурс оборудования, который определяется ресурсом работы лазера, составляет более 50000 часов. Наши устройства не имеют изнашивающихся механических частей. В-четвертых, полный вес такого устройства, включая вес манипулятора (ручной инструмент), не превышает 15 кг.
Лазерная очистка в действии
Рисунок 3 иллюстрирует результаты лазерной очистки поверхностей различных материалов с помощью лазерного ранцевого устройства, произведенного компанией ООО "НПП ВОЛО". Для наглядной демонстрации результата была выбрана стальная пластина, загрязненная ржавчиной, крошками окалины и маслом. Нижнюю зону стальной пластины подвергли лазерной очистке, при этом верхняя зона специально была оставлена неочищенной и загрязненной. Затем и на очищенную, и на неподготовленную поверхность произвели наплавку стальной проволоки. Хорошо видна разница между результатом крайне нестабильного процесса наплавки в верхней зоне и результата, удовлетворяющего требованиям, в нижней зоне, подвергнутой предварительной лазерной очистке. Этот эксперимент хорошо показал применимость технологии лазерной очистки для подготовки, например, сварочных кромок непосредственно перед сваркой.
На рис.4 изображена турбинная лопатка газотурбинного двигателя (ГТД) до (слева) и после лазерной очистки (справа). В результате очистки были удалены поверхностные эксплуатационные загрязнения. Рис.5 демонстрирует резьбовой участок насосно-компрессорной трубы (НКТ) до очистки (изображение слева) и после лазерной очистки (изображение справа). Резьба НКТ была загрязнена остатками СОЖ, на которые налипли металлические заусеницы и другие цеховые загрязнения после нарезки резьбы. Простота лазерных очистительных устройств позволяет легко встроить их в технологические линии предприятий.
Результаты лазерной очистки каменных образцов от биологических и антропогенных загрязнений представлены на рис.6 и 7. Это образцы реальных объектов, которые долгое время находились в условиях открытых городских пространств Северной столицы. Для их реставрационной очистки не возникало необходимости переносить эти памятники в специальные мастерские. А низкие энергозатраты и высокая экологичность использования лазерного оборудования в совокупности с ранцевой формой комплекса позволяют оснастить ими любые городские коммунальные службы.
Опыт лазерной очистки с помощью оборудования, изготовленного в компании ООО "НПП ВОЛО", подтвердил основные преимущества лазерной очистки перед наиболее распространенной пескоструйной. Среди них:
возможность работы практически в любых помещениях, а не в специальных боксах,
отсутствие шума,
бесконтактность,
безабразивность,
легкий сбор продуктов очистки,
отсутствие дополнительных операций по уборке пыли с поверхности после очистки,
получение практически химически чистой поверхности,
низкие энергозатраты,
отсутствие абразивного износа поверхности,
возможность производить очистку тонких материалов,
высокая экологичность,
возможность интеграции оборудования в технологические линии предприятий.
ЛАЗЕРНЫЙ НАКЛЕП
Еще одна технология, позволяющая существенно усилить эксплуатационные характеристики не только поверхности, но и основного материала деталей на глубину до 1 мм, была освоена в компании ООО "НПП ВОЛО". Это – технология ударного лазерного упрочнения, или технология лазерного наклепа. Сам метод лазерного наклепа известен как один из методов повышения сопротивления усталости, длительной прочности, коррозионному растрескиванию деталей машин и конструкций, эксплуатируемых в условиях повышенных температур и циклических нагрузок. Если детали, узлы машин и механизмов подвержены циклическим знакопеременным нагрузкам, равно как и значительным тепловым нагрузкам, то существует высокая вероятность образования микротрещин, рост которых может привести к разрушению детали. Метод упрочнения поверхности позволяет снизить вероятность образования микротрещин.
Методы и технологии наклепа
Наклеп металлов и сплавов – это изменение структуры и свойств металлов и сплавов под действием пластической деформации при температурах, лежащих ниже температуры рекристаллизации в состоянии "холодной" поверхности. Во время наклепа в металле происходит накопление части энергии деформации, которая расходуется на искажение кристаллической решетки с образованием преимущественно ориентированных текстур и изменением положения дислокаций. Наклеп сопровождается повышением прочности, твердости и снижением пластичности материала. После обработки в поверхностном слое детали создается благоприятная система сжимающих остаточных напряжений, которая выражается в повышении предела усталостной прочности, а иногда и износостойкости. Обычно наклеп осуществляют на специальном оборудовании при помощи обкатки роликами, дробеструйной обработки или ударными инструментами. Большие преимущества перед традиционными методами обработки металлов и сплавов в последние годы проявляет технология лазерного ударного упрочнения поверхности (лазерный наклеп).
Принцип лазерного ударного упрочнения
Лазерное упрочнение поверхности обеспечивается ударной волной большой амплитуды, которая генерируется в лазерной плазме при помощи лазерных импульсов высокой энергии. Эффект упрочнения достигается за счет механической деформации в холодном состоянии, производимой ударной волной, а не термическим нагреванием поверхности излучением лазера, как в случае лазерной закалки. В самом общем случае поверхность обрабатываемой детали (рис.8) покрывают слоем-поглотителем (слой краски или пленки, которая хорошо поглощает лазерное излучение), непрозрачным для лазерного излучения. Затем добавляют слой прозрачного для лазерного излучения материала, это может быть вода или другая жидкость (которая может течь по поверхности детали, течение должно быть ламинарным, не иметь пузырьков и видимых завихрений). Сфокусированное лазерное излучение направляется на поверхность, оно проходит через прозрачный слой и взаимодействует со слоем-поглотителем. При взаимодействии лазерная энергия адсорбируется внутри слоя-поглотителя, происходит его испарение и формируется плазменный факел. Давление в изолированной плазме быстро возрастает, вызывая ударную волну, которая идет в материал детали через остаток непрозрачного слоя-поглотителя и наружу через слой прозрачного материала.
Слой-поглотитель служит защитой от прямого контакта поверхности детали с плазмой. Прямое взаимодействие поверхности детали с плазмой, как правило, ведет к образованию расплава металла на поверхности на глубину до 15–25 мкм. Непрозрачный слой-поглотитель может быть сформирован из различных материалов: сухая или влажная краска, черная пленка, металлическая фольга, все они позволяют реализовать номинально одинаковые давления.
Прозрачный слой изолирует плазму от атмосферы и служит отражателем акустической волны для создания более мощной ударной волны. Самый простой прозрачный слой – ламинарный поток воды. Повторимся, что вода используется не для охлаждения, а для изоляции плазмы от легко сжимаемой атмосферы. В этом случае давление, созданное плазмой на поверхности детали, увеличивается в 10 раз.
Ударная волна, распространяясь в материале, приводит к улучшению свойств материала. Пластическая деформация от ударной волны при лазерном наклепе распространяется гораздо глубже, чем при дробеструйном упрочнении. Поэтому и сжимающие остаточные напряжения находятся на большей глубине материала. Более глубоко расположенные остаточные напряжения определяют улучшение свойств материала. В случае большой мощности ударной волны на поверхности детали можно наблюдать характерные отпечатки (рис.9) после обработки глубиной до нескольких микрон.
Наиболее востребована технология лазерного наклепа в машиностроительных отраслях промышленности: авиационной (двигателестроение, упрочнение лопаток, упрочнение различных деталей планера); автомобильной (упрочнение деталей двигателей); энергетической (упрочнение лопаток парогазовых турбин); атомной энергетике (обработка сварных швов и стенок реакторов, в том числе и восстановление работавшей аппаратуры, эти мероприятия препятствуют образованию трещин); нефтегазотопливной отрасли (обработка сварных швов, в том числе труб, предназначенных для прокладки в области арктического шельфа). В медицине, где объекты протезирования несоизмеримо малы по сравнению с объектами машиностроения, технология наклепа (обработка протезов суставов) открывает большие перспективы для сохранения и восстановления здоровья человека.
Преимущества технологии
лазерного наклепа
Применение лазерного упрочнения помогает избежать затрат, связанных с заменой деталей механизмов при их ремонте. Основными достоинствами лазерного наклепа являются:
повышение предела выносливости и увеличение износостойкости обработанных деталей,
повышение ресурса деталей,
сохранение свойств после нагрева в процессе эксплуатации,
повышение микротвердости поверхности,
отсутствие деформации деталей после обработки и исключение финишных операций,
комнатная температура обработки, благодаря чему в металлах и сплавах не происходит структурных превращений,
экологическая чистота,
повышение культуры производства,
отсутствие рабочих газов,
отсутствие изотермических выдержек, а следовательно, снижение энергозатрат,
улучшение санитарно-гигиенических условий производства,
полное соответствие технологии всем современным требованиям по охране окружающей среды.
Заключение
Технология ударного упрочнения поверхности родилась еще в прошлом веке, а с появлением твердотельных лазеров она начала интенсивно развиваться и преобразовалась в технологию лазерного ударного упрочнения (лазерный наклеп). Заказчику остается только сделать правильный выбор разработчика конечной системы. Компания ООО "НПП ВОЛО" разрабатывает и производит лазерное оборудование под разные промышленные задачи очистки материалов. В своей работе, опираясь как на мировой опыт, накопленный в этой области, так и на свои разработки, ООО "НПП ВОЛО" создает лазерное оборудование, реализующее методы улучшения качества поверхности. У промышленных предприятий появляется возможность модернизировать свое производство, интегрировав лазерное оборудование компании ООО "НПП ВОЛО" в свои технологические линии. ▪

Лазерное поверхностное упрочнение

В настоящее время невозможно представить изготовление деталей без финишной упрочняющей обработки. С её помощью можно повысить прочностные характеристики любого металла. В зависимости от состава и назначения заготовки, её можно подвергать разным видам упрочняющей обработки таким, как: отжиг, закалка, старение и химико-термическая обработка, а также поверхностное упрочнение лазером. В нашей статье речь пойдет о лазерном наклёпе поверхности титановых сплавов.

Изделия из титана чаще всего применяются в авиа и ракетостроении. Например, наиболее трудоемким является производство моноколес, представляющих собой диск с лопастями для забора воздуха, а так же изготовления отдельных лопаток. Всем известно, что остаточные напряжения после проточки лопастей, могут согнуть лопатки, приведя изделие в негодность. А так как титан металл не из дешевых, то такой брак, нанесет серьёзный ущерб предприятию. Для снятия остаточных напряжений применяется термическая обработка готовых изделий и лазерный наклёп для увеличения прочности поверхности.

Для снятия напряжений чаще всего изделия из титана подвергают отжигу. Широко применяется вакуумный отжиг, который позволяет уменьшить содержание водорода в титановых сплавах, что приводит к уменьшению склонности к замедленному разрушению и коррозийному растрескиванию. Для снятия небольших внутренних напряжений применяют неполный отжиг при 550–650 град. Титановые сплавы имеют низкое сопротивление износу и при использовании в узлах трения обязательно подвергаются либо химико-термической обработке, либо лазерному наклёпу (Рис. 1).

$C:\Users\Николай\Desktop\3.jpg$

Рис. 1. Лазерный наклёп

В самом традиционном случае наклёп получается в процессе холодной ковки, когда массивным бойком методично наносят удары по упрочняемой поверхности металла, местами деформируя её. Этот способ упрочнения металла известен несколько сот лет. Продолжением этой технологии, когда обрабатывать стало возможно детали сложной формы, является «бомбардировка» металлической поверхности металлическими шариками. При такой обработке специальной дробью, с высокой интенсивностью подачи, поверхность приобретает необходимые механические характеристики и даже становится значительно меньше восприимчивой к коррозии. Это надёжные установки, которые применяются уже не одно десятилетие, производительности их достаточно для осуществления упрочнения в промышленных масштабах.

Однако существует и более прогрессивная технология упрочнения поверхности по схожему методу — использование в качестве источника бомбардирования мощный твердотельный лазер. Эта технология отчасти похожа на плазменное напыление, но только отчасти.

Излучение от такого лазера обладает выдающимися показателями по энергии импульса и частоты «бомбардировки». Самые первые эксперименты по упрочению металлической поверхности лазером были проведены около 30 лет назад. Но с методом упрочнения при помощи стальных шариков, лазеры смогли конкурировать недавно, когда стали доступны действительно мощные лазерные источники энергии.

В промышленности лазер для упрочнения поверхности впервые стали использовать при изготовлении турбинных лопаток для авиационной техники. Это тонкостенные детали сложной формы, поэтому более «деликатное» лазерное упрочнение для них стало предпочтительнее, чем стандартное упрочнение шариками. В настоящее время лазерное упрочнение уже используется не только в авиационной, но и передовой автомобильной (для обработки деталей шасси, коробки передач) и медицинской отраслях (упрочнение коленных и бедренных имплантатов).

При лазерном упрочнении используются импульсы с высокой интенсивностью — до 10*10 Вт/см², это позволяет создать мощную ударную волну, направленную на упрочняемый материал. В деталях этот процесс выглядит следующим образом: на упрочняемую поверхность перед обработкой наносят два слоя, один из которых поглощает лазерное излучение — это нижний слой прилегающий к металлу, а второй слой прозрачный, он находится на поверхности. В качестве поглощающего слоя используют специальную краску, а качестве прозрачно слоя сверху, обычно используют воду. Направленный на эти слои луч лазера беспрепятственно проходит через воду и начинает интенсивно испарять второй, нижний слой краски. Однако в это время слой воды начинает препятствовать резкому образования газа от испаряющегося нижнего слоя. Соответственно, энергия от образующегося газа взаимодействует в сторону, обратную от слоя воды, т. е. в сторону металла, упрочняя его таким образом. Т. к. весь вышеописанный процесс проходит крайне быстро, то упрочняющий эффект весьма ощутим, а глубина упрочнения, может достигать 1 мм (при упрочнении металлическими шариками предельной считалась глубина в 0,4 мм) (Рис. 2).

$C:\Users\Николай\Desktop\7621919.jpg$

Рис. 2. Шероховатость поверхности после обработки

В результате многих опытов и изысканий по данной теме, наметилась тенденция, что один «суперпучок» с энергией в 50 Дж и более, который обработает за один раз 0,5 см², целесообразнее заменить несколькими пучками, покрывающими всего 1,5мм², но работающими намного интенсивнее. Такой путь позволяет многократно удешевить конструкцию, сделать её более производительной в условиях действующих производства. Если выйдет из строя один большой лазер, установка станет неработоспособной, а поломка маленького лазера в системе из десятков таких же, не особо отразится на работоспособности системы (Рис. 3).

$C:\Users\Николай\Desktop\680033.jpg$

Рис. 3. Обработка 4-мя пучками лазера

Преимущества лазерного упрочнения заключаются в уменьшении объема дополнительной обработки и возможность обработки неоднородных трехмерных заготовок. Благодаря незначительному тепловому воздействию деформация остается на ограниченном уровне, издержки на дополнительную обработку уменьшаются или не возникают вовсе [2].

Выводы.

Очевидно, что лазерное упрочнение поверхности заметно улучшает прочностные характеристики титановых сплавов. В данной статье проведен обзор метода. В следующих статьях планируется провести ряд исследований поверхностного слоя различных марок титана, а так же при различных параметрах. Исследование прочностных характеристик для каждого из режимов, подобранных экспериментальным путем. Планируется провести исследования методами проффилометрии, РФА исследования, а так же исследования методами растровой электронной микроскопии.

Основные термины (генерируются автоматически): лазерное упрочнение, дополнительная обработка, лазер, металлическая поверхность, сложная форма, слой, химико-термическая обработка.

Разработка технологии лазерного упрочнения штампового оборудования

Из-за растущих темпов производства деталей, ужесточение режимов эксплуатации, увеличение нагрузок трения приводит к уменьшению сроков службы оборудования из-за низкой износостойкости материалов. Статистические данные показывают, что штамповый инструмент приходит в негодность по таким причинам, как поломка около 30 %, износ — 20 %, неправильный подбор стали для штампов — 12 %, и несоблюдения режима термообработки — 6 %

Большинство деталей машин приходят в негодность из-за износа рабочих поверхностей трения, причем распространенным видом изнашивания является механическое.

Износостойкость можно повысить: созданием структур высокой начальной твердости, теплостойкости и других механических характеристик по всему объему детали, либо только в поверхностном слое.

Получение новых структур сталей, превосходящих по триботехническим характеристикам существующие, может существенно решить проблему повышения износостойкости машин. Но при повышении характеристик твердости и прочности понижается пластичность, а это приводит к нежелательной склонности к хрупкому разрушению детали.

Другой путь повышения износостойкости деталей предполагает создание на рабочей поверхности детали структуры высокой прочности и твердости на небольшой глубине от зоны контакта. Этот способ более приемлемый с позиций трибологии, так как не требует высокой прочности структуры стали по всему объему детали.

Наиболее подходящим методом поверхностного упрочнения, будет являться лазерная поверхностная закалка.

Упрочнение лазерной закалкой, штампового оборудования, актуальная задача для АО «Иркутский релейный завод». Так же существует необходимость исследования свойств и структуры получаемого поверхностного слоя.

Большая часть штампов при штамповке выходит из строя вследствие износа рабочих поверхностей. Наиболее часто такие дефекты штампов встречаются, когда штамповку производят со значительным перемещением металла по рабочим поверхностям штампа, что увеличивает время контакта обрабатываемого металла с инструментом, а это увеличивает износ.

Лазерное излучение — это поток фотонов высокой интенсивности, передается почти без потерь за счет узконаправленного потока излучения к поверхности металла, при поглощении превращаясь в тепловую энергию. Теоретически возможны все виды быстрой термообработки, хотя металлы можно упрочнять и длительной термообработкой, известной как «дисперсионное твердение после закалки». Нормализация, сфероидизация (образование зернистого перлита) и упрочнение компактных деталей невозможны.

Плотность потока энергии лазерного луча составляет 10 5 . 10 6 Вт/см 2 .

Поглощение лазерного излучения — это важная составляющая при обработке поверхности, которая зависит от: температуры и длины волны излучения, а также свойств данного материала.

Разогрев поверхности осуществляется за счет воздействия на нее высокоэнергетического пучка излучения. Этим способом можно закаливать внутренние поверхности детали, не закаливая ее наружную поверхность. Полный цикл такой обработки занимает примерно 1. 2 секунды. А максимальная глубина упрочненного слоя 1. 2 мм, чего достаточно для повышения износостойкости и прочности поверхностности детали.

При этом преимущество этого метода заключается в том, что свойства основного металла остаются неизменными, в то время как твердость поверхности растет.

Лазерная обработка обладает значительными преимуществами по сравнению с обычными методами:

‒ высокая концентрация и локальность подводимой энергии в ограниченном промежутке времени позволяет производить обработку поверхностного слоя с высокими скоростями нагрева и охлаждения без нарушения его свойств;

‒ широкое регулирования режимов лазерной обработки позволяет осуществлять ряд поверхностных изменений структуры, фазового состава и механических свойств, а также полной автоматизации данного процесса;

‒ обработка не требует специальной подготовленной среды, то есть может осуществляться в обычных условиях, при отсутствии вредных выбросов определяют высокую технологичность процесса;

‒ возможность транспортировки луча на значительные расстояния и в труднодоступные зоны.

Распределение твердости в зоне закалки обработанного лазером стали приведено на рисунке 1, где глубина закалки зависит от скорости перемещения и мощности воздействия лазера.

Рис. 1. Зависимость изменения твердости от глубины с изменением скорости перемещения лазерного луча.

В настоящее время перед АО «Иркутский релейный завод» стоит проблема упрочнения рабочего инструмента штамповой оснастки. Стоимость инструментальной оснастки составляет 10. 12 % себестоимости заготовок. Уменьшение затрат на инструмент может быть достигнуто за счет увеличения стойкости в эксплуатации, повышения технико-экономической эффективности использования штампового инструмента. Лазерная закалка это один из наиболее эффективных методов упрочнения и повышения стойкости штампового инструмента. Лазерная закалка значительно повышает срок службы детали.

Основным критерием применимости того или иного способа упрочнения является экономическая целесообразность. Огромный плюс данного процесса — простота технологии упрочения и высокие эксплуатационные свойства закаленного поверхностного слоя. Дальнейшая работа предполагает разработку технологии лазерного упрочнения штампового оборудования. Научная и экспериментальная база на предприятии для этого есть — лазерная установка «Квант-15» и лаборатория.

Обработка металлов давлением в машиностроении / П. И. Полухин [и др.]. — М.: Машиностроение, 1983. — 279 с.
Бутыгин В. Б. Инструментальные материалы и инструментальное обеспечение автоматизированного производства, 1991. — 78 с.
Шастин В. И. Современное состояние и перспективы промышленного использования лазерных технологий в машиностроении // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. — 2008. — № 4.
Степанова Т. Ю. Технологии поверхностного упрочнения деталей машин: учеб. пособие, 2009. — 64 с.
Вейко В. П. Технологические лазеры и лазерное излучение. — СПб: СПБ ГУ ИТМО, 2007. — 52 с.

Основные термины (генерируются автоматически): лазерная закалка, штамповый инструмент, лазерная обработка, лазерное излучение, объем детали, свойство, штамповое оборудование.

Сравнительный анализ высокоэнергетических методов поверхностного упрочнения стали

В этой статье представлен сравнительный анализ существующих высокоэнергетических способов поверхностного упрочнения стали.

Ключевые слова: плазменное поверхностное упрочнение, лазерная закалка, электронно-лучевая обработка, упрочняемая поверхность, материал, поверхность

1 Введение

Решение вопросов повышения надежности и долговечности ответственных изделий, работающих в экстремальных условиях при переменных контактных, ударных, статических нагрузках, требует применение современных высокопрочных материалов и конструкционных решений. Обеспечить необходимые параметры изделия можно и путем изменений состояния поверхностного слоя стали. Существует большое количество традиционных технологических процессов обработки (закалки) поверхностей, которые имеют свои особенности, преимущества и недостатки, но в последние десятилетие большое внимание уделяется высокоэнергетическим методам улучшения поверхности сталей и, несмотря на многочисленные публикации, механизмы упрочнения металлов и сплавов нельзя считать выясненным полностью.

В данной статье проводится сравнительный анализ высокоэнергетических способов поверхностного упрочнения сталей.

2 Современные материалы и методы

На сегодняшний день, в промышленном производстве применяют следующие высокоэнергетические методы поверхностной упрочняющей обработки сталей:

1) импульсного энергетического воздействия

2) концентрированных потоков частиц или излучения.

К первой группе относится метод упрочнения взрывом.

Ко второй группе относятся:

а) лазерная и электронно-лучевая обработка;

б) детонационное и плазменное поверхностное упрочнение;

в) вакуумная ионно-плазменная обработка.

Упрочнение взрывом

Первый патент на взрывное упрочнение высокомарганцевой стали был выпущен в 1955 году (Сталь Гадфильда (110Г13Л) имеет особое свойство, упрочнятся под действием различных нагрузок, наибольшее воздействие оказывает взрывное упрочнение) [7]. С тех пор научно-исследовательские работы продолжались в США, в 1960-х годах они начались в СССР, а затем в Японии, Китае и других странах. Установлено, что сильная ударная волна, генерируемая взрывом, может нагревать вещество до температуры плавления, индуцировать фазовые переходы и двойникование (полосы Неймана), изменять микроструктуру и механические свойства, такие как твердость, пластичность и прочность. Скорости деформации во фронте ударной волны, движущейся в металле, превышают 10 3 с -1 [10]. Для заметного упрочнения ударная волна должна быть достаточно сильной, т. е. иметь амплитуду, превышающую предел упругости материала.

Хотя прошло уже более 65 лет с тех пор, как начались исследовательские работы по упрочнению взрывом, интерес к этому явлению все еще существует, и исследования продолжаются, например, в поисках новых взрывчатых веществ, пригодных для упрочнения взрывом [3].

Основным преимуществом упрочнения взрывом являются: равномерность упрочнения по все упрочняемой поверхности, возможность упрочнения криволинейных, труднодоступных внешних и внутренних поверхностей, большие скорости деформации, большая производительность, возможность получения композиционных материалов высокого качества.

Область применения данного метода упрочнения: крестовины железнодорожных путей, зубья ковшей экскаваторов, детали дробилок, стали перлитного и мартенситного классов дают незначительный прирост твёрдости, но износостойкость их увеличивается существенно.

Лазерное упрочнение

Лазерное (термическое) упрочнение поверхности — это бесконтактный процесс, обеспечивающий химически инертную (неактивную) и чистую среду (т. е. заготовки не нуждаются в очистке, промывке после термической обработки) при воздействии лазерного луча. Использование лазеров большой мощности является хорошо отработанным процессом и таким способом упрочнения достигают различных результатов:

1) лазерная термическая обработка (закалка, отжиг, отпуск);

2) глазурование (оплавление для получения остеклованной поверхности);

3) поверхностное легирование (процесс введения в состав материала определенных примесей);

4) наплавка (восстановление изношенных деталей);

5) плакирование (покрытие деталей тонким слоем другого металла).

Основой процесса лазерного упрочнения является быстрый разогрев поверхности до температуры плавления со скоростью более 10 2– 10 3 о С/с за счет воздействия на нее высокоэнергетическим пучком излучения и последующие быстрое охлаждение путем отвода тепла (за счет теплопроводности) в основной объем металла, который остается холодным [11].

Преимущества, использования лазеров, заключаются в том, что они обеспечивают локализованный подвод тепла, незначительные искажения, возможность обрабатывать мелкие детали сложной конфигурации, короткое время цикла, отсутствие или минимальное окончательное шлифование заготовок [6]. Этот способ более экономичен по сравнению с классическими процессами термообработки поверхности, а потребляемая энергия может регулироваться в широком диапазоне путем изменения мощности лазерного источника. Процесс лазерной закалки — это автоматизированный процесс, подходящий как для единичного, так и для серийного производства деталей [1].

Несмотря на весомые преимущества лазерной обработки существенными недостатками являются высокие затраты на оборудование, необходимость защиты от радиации, относительно низкий КПД лазеров, а из-за плохого поглощения лазерного света в металлах необходима соответствующая подготовка поверхности [1].

Электронно-лучевая поверхностная обработка

Электронный луч (ЭЛ) вместе с лазерным лучом относится к передовым технологиям, которые могут быть использованы для локальной термообработки поверхности. Оба метода имеют некоторые сходные характеристики, однако существуют явные различия, предопределяющие, какой из них будет выбран для конкретного применения. [4]

В основе электронно-лучевой обработки металлических материалов лежит взаимодействие электронного луча с поверхностью упрочняемого изделия. Когда концентрированный поток электронов передает свою энергию в очень тонкий поверхностный слой за короткое время импульса, сверхбыстрые процессы, такие как нагрев (скорость нагрева и охлаждения порядка 106–105 градусов в секунду), плавление, испарение и последующее затвердевание, а также индуцированное динамическое напряжение придают поверхностному слою улучшенные физико-химические и механические свойства [2].

При этом возникающие в процессе электронно-лучевого упрочнения уникальные условия протекания структурных и фазовых превращений, которые невозможно реализовать традиционными способами закалки, ставят эту технологию в один ряд с наиболее прогрессивными методами металлообработки.

Отметим, что высокие прочностные свойства поверхности материала, упрочненного электронным лучом, предопределили наибольшую распространенность данного метода применительно к деталям, работающим в различных условиях трения с целью увеличения их износостойкости.

Преимуществом является то, что электронный луч способен упрочнить поверхностный слой деталей на глубину 0,2–5 мм с последующей отделкой поверхности шлифованием или обкаткой. Это позволяет достигать высокого качества легированного слоя.

В эту группу также стоит отнести метод электромеханического упрочнения. Это комбинированный метод упрочнения активно исследуемый на нашей кафедре, который реализуется при прохождении электрического тока высокой плотности (108–109 А/м2) и малого (2–6 В) напряжения сквозь площадь контакта детали и инструмента (твердосплавного ролика или пластины), находящихся в движении во взаимноперпендикулярных направлениях при скорости V и подаче S. Принципиальная схема электромеханической обработки показана на рисунке 1.

Рис. 1. Принципиальная схема электромеханической обработки

Преимуществом метода ЭМО является универсальность (гибкость), обусловленная возможностью использования в качестве базовых типовых металлорежущих станков, а также относительно несложного и удобного в применении электрооборудования, однако такой способ неприемлем при обработке деталей со сложным профилем [9].

Плазменное поверхностное упрочнение деталей

Плазменное поверхностное упрочнение изделий в основном применяется в мелкосерийном и единичном производстве. Сущность метода заключается в быстром разогреве поверхности за счет воздействия на нее плазменной струей и последующие быстрое охлаждение путем отвода тепла (за счет теплопроводности) в основной объем металла, который остается холодным [11].

Этот метод относится к газотермическим методам, где напыление упрочняющего материала может подаваться в виде порошка или проволоки, действие которых основано на полном или частичном нагреве материала до состояния плавления.

Особенностями и преимуществами этого процесса являются универсальность, большое количество наносимых материалов, неограниченная толщина покрытий, простота автоматизации, высокая производительность, сравнительно низкие эксплуатационные расходы, особенно при использовании сжатого воздуха вместо инертных газов, высокий коэффициент использования: не менее 70 % — для металлов и 50 % — для оксидных керамик.

Плазменная обработка может эффективно применяться для упрочнения не только деталей из стали, но и из чугуна. В этом случае широко используются в основном способы плазменного упрочнения с оплавлением рабочей поверхности, обеспечивающие создание на ней отбеленного слоя с дисперсной дендритной структурой [11].

Детонационное нанесение покрытий

В технологии детонационного напыления нанесение покрытий осуществляется разгоном и разогревом порошкообразного материала с помощью энергии газового взрыва. Продукты взрыва, находящиеся в детонационной пушке, нагреваются до 40 000 о С и вылетают со скоростью более 1 км/с. Такой газовый поток разогревает частицы введенного в ствол порошка до плавления и метает их с большой скоростью на деталь, установленную перед стволом пушки. При столкновении порошка с поверхностью изделия происходит микросварка, и материал прочно соединяется с поверхностью детали. Нужную толщину покрытия получают серией последовательных выстрелов, а для обработки поверхностей большой площади возможно установка оборудования на манипуляторе. Достоинством данного метода являются: низкая пористость покрытия, высокая прочность связи с основой обрабатываемой детали, незначительное термическое воздействие, позволяющее избегать нежелательных термонапряжений и коробления даже тонкостенных деталей сложной конструкции [12].

Вакуумное ионно-плазменное упрочнение

Большое внимание в промышленности уделяется вакуумным ионноплазменным методам, основанных на воздействии на упрочняемое изделие потоком частиц и квантов с высокой энергией. Характерной их чертой является прямое преобразование электрической энергии в энергию технологического воздействия, основанное на структурно-фазовых превращениях в осажденном на поверхности конденсате или в самом поверхностном слое детали, помещенной в вакуумную камеру.

Главным достоинством данного метода является высокий уровень физико-механических свойств материала в весьма тонком поверхностном слое, возможность нанесение плотных тугоплавких химических соединений. а также алмазоподобных соединений, которые невозможно получить традиционными методами.

Кроме того, эти методы позволяют:

1) обеспечивать высокую адгезию покрытия к подложке;

2) получать равномерные покрытия по толщине на большой площади;

3) варьировать состав покрытия в широком диапазоне, в пределах одного технологического цикла;

4) получить высокую чистоту поверхности покрытия;

5) обеспечивать экологическую чистоту производственного цикла [11].

Особенности, преимущества и недостатки выделенных нами методов в краткой форме сведены в таблицу 1, а характеристики источников нагрева для поверхностного упрочнения приведены в таблице 2.

Сравнительная таблица методов поверхностного упрочнения

Метод

Преимущества

Недостатки

1) после лазерной закалки исключаются некоторые технологические операции, например, операция отпуска;

2) отсутствуют остаточные деформации;

3) сохраняются геометрических размеры изделия;

4) минимальное тепловложение в обрабатываемую деталь;

5) локальность воздействия на упрочняемую поверхность;

6) отсутствие охлаждающих жидкостей;

7) процесс поддается автоматизации;

8) резко снижают длительность термического цикла закалки;

9) повышение износостойкости и задиростойкости.

1) высокая стоимость лазерных технологических комплексов;

2) ограниченная зона обработки;

3) глубина упрочненной поверхности зависит от теплофизических характеристик стали (прокаливаемости) и обычно не превышает 1,0…1,5 мм;

4) в зонах перекрытия упрочненных дорожек поверхности имеются зоны отпуска.

1) высокая производительность;

2) высокая скорость нагрева;

3) повышение предела выносливости: в два-три раза по сравнению с объемной (печной) закалкой;

4) сокращение машинного времени термообработки;

5) почти полное отсутствие окалины закаленной поверхности;

1) в зависимости от изменения геометрии детали необходимо изменять геометрию индуктора;

2) на деталях, имеющих острые углы, резкие геометрические переходы, глубокие впадины не удается получить равномерной толщины закалённый слой;

3) для деталей сложной формы, изготовление индуктора затруднительно;

6) уменьшение коробления при закалке;

7) возможность полной механизации и автоматизации процесса.

4) закалка ТВЧ вызывает небольшие деформации и коробление изделий особенно при односторонней поверхностной закалке плоских деталей;

5) в местах удара воды о поверхность (при охлаждении спреем) могут возникать микротрещины паутинообразной формы. Микротрещины в условиях контактного нагружения недопустимы, так как являются очагом разрушения.

1) высокая производительность процесса;

2) минимальное коробление изделия;

3) не зависящий от изделия характер подвода энергии;

4) возможность управления процессом с помощью ЭВМ и устройств с ЧПУ, встраивание установок в автоматические производственные линии;

5) независимость степени поглощения энергии от оптических свойств и шероховатости поверхности, отсутствие необходимости нанесения покрытия на поверхность для повышения поглощающей способности;

6) высокая надежность электромагнитной системы сканирования;

7) возможность использования одного оборудования для проведения различных технологических процессов — сварки, поверхностной закалки, плавления;

8) возможность быстрой и надежной развертки пучка в магнитном поле;

9) отсутствие окисления поверхности;

10) относительная экологичность процесса за счет отсутствия вредных выбросов в атмосферу.

1) большие капитальные затраты на приобретение и монтаж оборудования;

2) затраты, связанные с его эксплуатацией и обслуживанием;

3) необходимость защиты от рентгеновского излучения, возникающего при работе на напряжениях свыше 20 кВ.

Основные технико-экономические характеристики источников нагрева [8].

Лазерное термоупрочнение

Оборудование на основе лазеров достаточно широко применяется в промышленном производстве. Лазерные системы активно используются для резки, сварки и поверхностной закалки (модификации) сталей.

Суть технологического процесса

Термическое упрочнение материалов и сплавов лазерным излучением основано на локальном нагреве участка поверхности под воздействием излучения и последующем охлаждении этого поверхностного участка со сверхкритической скоростью в результате теплоотвода теплоты во внутренние слои металла. При этом время нагрева и время охлаждения незначительны, практически отсутствует выдержка при температуре нагрева. Данные условия обеспечивают высокие скорости нагрева и охлаждения обрабатываемых поверхностных участков.

Компания «ТермоЛазер» производит и реализует высокоэффективные автоматизированные станки для лазерного упрочнения изделий из металлов. Помимо этого, мы предоставляем услуги по термоупрочнению деталей различного элементного состава и габаритных размеров. Оборудование для модификации поверхности металла нашего производства не уступает по возможностям зарубежным аналогам.

Преимущества лазерной закалки

Лазерное упрочнение поверхности металлов обладает рядом преимуществ. Они проявляются в следующих моментах:

Возможности нашего оборудования

С помощью лазерных комплексов «ТермоЛазер» можно проводить поверхностную закалку как конструкционных, так и инструментальных сталей. В результате такой термической обработки поверхностный слой детали приобретает прочность, которая в 2 – 4 раза превышает твердость основы.

Оформите заявку на услугу, мы свяжемся с вами в ближайшее время и ответим на все интересующие вопросы.

Основные сферы применения технологии

Лазерное термоупрочнение металла – надежный и экономичный способ повышения прочности деталей, работающих в условиях трения. Технология модификации востребована в машиностроительном, нефтегазовом, сельскохозяйственном производствах, металлургии, инструментальном производстве для обработки режущего инструмента, поверхностей рабочих частей штампов гильотинных ножей и прочего оснащения.

Обработка металлов при помощи лазерного оборудования дает прямые технологические и экономические выгоды. Внедрение высокоэффективной технологии позволяет быстро перестроить технологический процесс, поэтому она пользуется большим спросом не только у крупных производственных предприятий, но и у малых мастерских.

Системы создания и управления лазерным лучом постоянно совершенствуются, однако решающим фактором их эффективного использования остаются инжиниринговые услуги. Компания «ТермоЛазер» предлагает комплексное внедрение технологий лазерной металлообработки в Москве, Владимире и других городах. Мы самостоятельно разрабатываем и производим лазерные системы на базе газовых и диодных лазеров, адаптируя их под технологические задачи конкретного клиента. Наши инженеры работают как на собственном производстве, так и на территории заказчика со своим мобильным оборудованием.

Читайте также:

Технология лазерного упрочнения поверхностей стальных деталей

Лазерное поверхностное упрочнение

Разработка технологии лазерного упрочнения штампового оборудования

Похожие статьи

Лазерная обработка как перспективный метод повышения.

Лазерное поверхностное упрочнение | Статья в журнале.

Разработка технологии лазерного восстановления.

Повышение износостойкости подшипникового узла методом.

Применение технологии лазерного модифицирования для.

Проблемы лазерной прочности прозрачных полимеров и методы.

Применение лазеров в полупроводниковой технологии