Содержание к диссертации
Введение
1. Проблемы лазерной обработки. Современное состояние вопроса 14
1.1. Процесс взаимодействия лазерного излучения с веществом 14
1.2. Пути получения изделий из железоуглеродистых сплавов с заданным качеством поверхностного слоя 21
1.3. Процессы массопереноса в зоне лазерной обработки 30
1.4. Поведение неметаллических включений в зоне лазерной обработки 41
1.5. Влияние лазерной обработки на эксплуатационные свойства
деталей машин 47
Выводы по главе 52
2. Методология проведения исследований 54
2.1. Общая методология 54
2.2. Методика теоретических исследований 57
2.3. Исследуемые материалы и оборудование. Методика экспериментальных исследований 61
Выводы по главе 67
3. Теоретические исследования процессов, происходящих в зоне лазерной обработки деталей 69
3.1. Оптическая модель массопереноса в зоне лазерной обработки деталей 69
3.2. Электромагнитная модель массопереноса 73
3.3. Механизм формирования неметаллических включений в зоне лазерной обработки 84
3.4. Процесс диффузии углерода в железоуглеродистых сплавах при лазерной обработке 92
3.4. Математическое моделирование температурного и концентрационного полей при лазерной обработке 105
Выводы по главе 116
4. Экспериментальные исследования 118
4.1. Перераспределение легирующих элементов в стали 20ГМЛ 119
4.1.1. Перераспределение марганца 122
4.1.2. Перераспределение молибдена 126
4.1.3. Количественный анализ 128
4.1.4. Воздействие непрерывным излучением 131
4.1.5. Сравнение импульсной лазерной обработки с непрерывной 133
4.2. Перераспределение элементов в стали Р6М5 134
4.2.1. Обработка без оплавления поверхности 135
4.2.2. Обработка с оплавлением поверхности 137
4.2.3. Количественный анализ 140
4.2.4. Обработка непрерывным излучением 142
4.2.5. Сравнение импульсной лазерной обработки с непрерывной 143"
4.3. Трансформация неметаллических включений в зоне лазерной обработки деталей из железоуглеродистых сплавов 145
4.3.1. Неметаллические включения в исходном материале 145
4.3.2. Характер распределения неметаллических включений в зоне лазерного воздействия 147
4.4. Состав неметаллических включений в зоне лазерного воздействия при лазерной обработке 149
4.4.1. Обработка инструмента из стали Р6М5 149
4.4.2. Обработка деталей из сталей 20ГМЛ, сталь 35Л, сталь У8 150
4.4.3. Обработка деталей из стали 12Х18Н9Т8 154
Выводы по главе 156
Использование предложенной модели массопереноса в технологии лазерной обработки деталей для повышения их эксплуатационных свойств 158
Выбор материала и назначение параметров качества поверхностного слоя деталей при лазерной обработке, исходя из их
функционального назначения 158
Физико-механические свойства стальных деталей после лазерной обработки 166
Испытания эксплуатационных свойств образцов после лазерной обработки 178
Принципы назначения режимов лазерного упрочнения деталей 183
Выводы по главе 185
Внедрение результатов исследований 188
Алгоритм выбора технологических режимов лазерной обработки 188
Результаты промышленных испытаний 194
1. Обработка инструмента из стали Р6М5 194
2. Обработка деталей, изготовленных из стали 35Л 201
3. Обработка зубил пневмомолотка, изготовленных из стали У8 205
Выводы по главе 207
Общие выводы 209
Литература
- Пути получения изделий из железоуглеродистых сплавов с заданным качеством поверхностного слоя
- Исследуемые материалы и оборудование. Методика экспериментальных исследований
- Перераспределение марганца
- Трансформация неметаллических включений в зоне лазерной обработки деталей из железоуглеродистых сплавов
Введение к работе
Современный этап развития техники предъявляет повышенные требования к эксплуатационным характеристикам деталей. Различные узлы и детали машин, металлорежущие инструменты, металлические элементы конструкций работают в условиях повышенного трения, больших удельных нагрузок, высоких температур, широкого диапазона скоростей, воздействия агрессивных сред и т.д. Зачастую имеет место одновременное воздействие нескольких факторов. Поэтому в настоящее время остро стоит проблема повышения качества рабочих поверхностных слоев изделий.
Научно-технический прогресс основывается на разработке новых технологических процессов и нанотехнологий, к которым относится такое перспективное направление как лазерная обработка металлов и сплавов. Изучение использования лазерного излучения для повышения качествен-: ных характеристик поверхностного слоя изделий хотя и не привели к получению полной картины взаимодействия лазерного излучения с материалом, но позволили определить ряд положений, составляющих ее основу."
В многочисленных публикациях, посвященных различным аспектам применения лазерного излучения для решения технологических и мате-' риаловедческих задач, остаются невыясненными многие вопросы, относящиеся к природе взаимодействия лазерного излучения с металлическими материалами и процессам в зоне обработки. Современное решение вопроса по назначению технологических процессов лазерного упрочнения поверхностного слоя изделия связано с получением требуемой структуры зоны обработки на заданном участке за счет регулирования скоростей нагрева и охлаждения изделия, времени пребывания его при высоких температурах. Технологические возможности лазерной обработки позволяют использовать этот процесс в качестве заключительной операции без последующей механической обработки. Однако выбор технологических параметров лазерного излучения для получения требуемых свойств поверхностного слоя
изделия связывают только с получением соответствующих структур в зоне лазерного воздействия (ЗЛВ). При этом практически не оценивается состояние неметаллических включений до и после обработки, а также перераспределение легирующих элементов по ЗЛВ.
Повышение свойств изделий в настоящее время достигается за счет использования в качестве материала специальных сталей и сплавов. Большое внимание уделяется сочетанию свойств, присущих сердцевине изделия (ударная вязкость, прочность, пластичность) и поверхностному слою (твердость, износостойкость, теплостойкость, усталостная выносливость и др.). Чаще всего эти свойства достигаются обеспечением химического состава материала изделия, а именно композиционных материалов.
Получение композиционных материалов наиболее доступными литейными способами сопряжено с большими трудностями, в том числе и неразрешимыми. Применение композиционных порошковых материалов ограничено в связи с их недостаточной конструкционной прочностью. Распространенным способом является поверхностное легирование вообще и лазерное в частности. На обрабатываемый участок поверхности металла наносится (насыпкой, нанесением пасты, диффузионным методом, электроискровым способом, гальваническим или химическим осаждением и др.) слой легирующих элементов, который далее расплавляется вместе со слоем основного металла под действием лазерного излучения. При этом происходит частичное выгорание обмазки, образуется неоднородный по составу и неравномерный по глубине легированный слой. Наиболее изученными в настоящее время являются процессы однокомпонентного легирования неметаллическими материалами - углеродом, азотом, кремнием и бором. В остальных случаях за счет вихревых потоков в кристаллизующемся металле образуется значительная структурная неоднородность, приводящая зачастую к появлению напряженного состояния материала. Глубина легированного слоя не превышает обычно 200 мкм. Появляющая-
ся после затвердевания поверхностного слоя изделия повышенная шероховатость требует проведения дополнительной механической обработки с удалением части легированного слоя. Это может свести к минимуму положительный эффект от лазерного легирования особенно при эксплуатации детали в условиях динамических нагрузок.
Одним из эффективных путей получения эксплуатационных свойств изделия является возможность изменения химического состава материала изделия путем управляемого легирования поверхностного слоя энергией лазера. В связи с этим особую актуальность приобретают исследования, связанные с определением методики проведения и назначением режимов лазерной обработки, обеспечивающей перераспределение легирующих элементов в ЗЛВ. Большое влияние в обеспечении свойств изделия оказывают неметаллические включения, находящиеся в рабочем поверхностном слое. Чаще это влияние негативное. Устранить отрицательное и усилить положительное влияние с помощью варьирования технологическими параметрами лазерной обработки - это путь повышения работоспособности и долговечности изделия.
В качестве инструмента нетрадиционной обработки лазерный луч может быть использован для обеспечения эксплуатационных свойств изделий, работающих в агрессивных средах. Представляет интерес, например, изучение возможности повышения с помощью лазерной обработки свойств изделий, работающих в условиях жесткого радиационного облучения. Воздействие электромагнитного лазерного излучения является эффективным способом получения различных уникальных свойств и характеристик у обрабатываемых изделий.
Получение новых экспериментальных данных, выявление неизвестных механизмов, теоретическое объяснение и описание, и на этом основании разработка новых методов с целью увеличения производительности и эффективности технологического процесса, снижения себестоимости и по-
вышения качества продукции является актуальной научно-технической проблемой. Именно создание новых наукоемких технологий является приоритетом для высокоэффективных производств. Решение этой сложной проблемы невозможно без проведения комплекса теоретических и экспериментальных исследований, физического и математического моделирования технологических процессов. Поэтому исследование явлений, происходящих в зоне лазерной обработки, является актуальной задачей в области обработки материалов высококонцентрированными источниками энергии.
Работа выполнялась в рамках одного из научных направлений ЮР-ГТУ (НПИ).
Цель работы. Разработать принципы выбора технологических параметров лазерной обработки для повышения ее эффективности, отличающиеся от известных способов установленным механизмом перераспределения легирующих элементов, трансформации неметаллических включений в зоне лазерного воздействия, и связанного с этим получения заданных эксплуатационных характеристик изделий.
В соответствии с указанной целью в работе поставлены следующие задачи:
исследовать, теоретически проанализировать и установить физическую природу влияния воздействия лазерного излучения на характер перераспределения легирующих элементов;
определить пути получения изделий с заданным качеством поверхностного слоя после лазерной обработки с использованием известных методик;
теоретически обосновать процессы массопереноса и трансформации неметаллических включений в ЗЛВ;
разработать физическую и математическую модели процессов массопереноса легирующих элементов и трансформации неметаллических включений в зоне лазерной обработки;
получить экспериментальное подтверждение возможности изменения химического состава поверхностного слоя изделия путем управляемого легирования за счет энергетических характеристик лазерного излучения;
изучить взаимосвязь процессов перераспределения легирующих элементов и трансформации неметаллических включений с процессами формирования структуры ЗЛВ и обеспечиваемыми при этом эксплуатационными характеристиками обработанного изделия;
разработать принципы выбора технологических режимов лазерной обработки деталей с целью получения заданных свойств рабочих поверхностных слоев;
получить практическое подтверждение повышения эффективности лазерной обработки изделий из железоуглеродистых сплавов, основанное на установленном механизме массопереноса легирующих элементов в зоне лазерной обработки.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Установлена возможность изменения химического состава сталей путем управляемого перераспределения легирующих элементов в поверхностном слое изделия энергией лазера.
Предложена принципиально новая физическая модель аномального массопереноса элементов при воздействии лазерного излучения на поверхность детали, основанная на разнице оптических свойств неметаллических включений, находящихся в основном металле, и самой матрицы. Установлено, что основную роль в процессе переноса играет скорость нагрева, обеспечивающая переход твердая фаза - газ.
Разработана модель, утверждающая, что фактором образования аномалий перераспределения и массопереноса элементов и фаз в зоне лазерного воздействия является магнитное поле, индуцируемое лазерным излучением.
Определены основные принципы, связывающие процессы перераспределения легирующих элементов и трансформации неметаллических включений с процессами формирования структуры ЗЛВ и обеспечиваемыми при этом эксплуатационными характеристиками обработанного изделия;
Систематизированы и научно обоснованы принципы получения качественных характеристик поверхностного слоя изделий после лазерной обработки;
Разработана структурная схема взаимосвязи показателей качества поверхности и технологических параметров лазерной обработки.
Теоретически обоснованы принципы выбора технологических режимов лазерной обработки с целью получения материала с заданными свойствами поверхностного слоя.
Практическая ценность работы. В диссертации изложены научно обоснованные технологические решения, внедрения которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса. В частности, изученные и описанные общие закономерности влияния энергетических параметров и условий лазерной обработки на эффективность повышения эксплуатационных характеристик изделий позволяют существенно расширить пути целенаправленного воздействия на поверхность изделия для получения требуемых свойств при различных условиях работы.
Прикладное значение для создания и совершенствования технологии лазерной обработки изделий имеют полученные в диссертации теоретические и экспериментальные данные о механизме массопереноса легирующих элементов и трансформации неметаллических включений в ЗЛВ.
Проведенные исследования позволили научно обоснованно определять режимы лазерной обработки деталей из различных материалов, обеспечивающие значительное повышение их долговечности. Разработаны технологии лазерной обработки ряда деталей, внедрение которых в произ-
водство позволило повысить эксплуатационные характеристики изделий, работающих в условиях интенсивного износа.
В условиях Цимлянского судомеханического завода внедрена в производство технология лазерного упрочнения ковшей пескометной машины, которая обеспечила повышение стойкости этих изделий в 4...6 раз по сравнению с заводской. Внедрение позволило заменить дорогостоящую сталь 1 ЮГ 13 на сталь 35 Л.
Достигнутое повышение срока эксплуатации зубил пневмомолотка, изготовленных из стали У8, работающих в условиях динамических нагрузок, позволяет говорить о возможности использования лазерной технологии для обработки деталей с целью повышения сопротивляемости поверхностному деформированию и трещинообразованию.
Разработана и внедрена в производство (Криворожский рудоремонтный завод, Цимлянский судомеханический завод, ОАО «ЭМК-Атоммаш», ЗАО НПО «Эталон») технология лазерной обработки инструментов, изготовленных из быстрорежущей стали Р6М5. Это позволило уменьшить износ инструмента из-за повышения поверхностной твердости при сохранении общей динамической прочности, повышения теплостойкости, снижения химической активности упрочненного материала и коэффициента трения пар режущий инструмент - заготовка и режущий инструмент — стружка. Стойкость инструмента увеличилась в среднем в 2,5...4 раза.
Опытно-промышленные проверки технологии лазерной обработки позволили осуществить замену дорогостоящей легированной стали 35ХГСА на конструкционную 35Л в условиях ООО «Конвейер» г. Брянск, изготовлены ролики и трубчатые направляющие, на конструкционную сталь 35Л, обработанную лазером. Лазерной обработке были подвергнуты образующие трубчатых направляющих и кольца контакта на боковых поверхностях ролика с направляющими. После стендовых испытаний стойкость роликов и трубчатых направляющих из стали 35Л, обработанных ла-
зером, стала в 4 раза выше стойкости изделий, изготовленных из стали 35ХГСА.
Результаты диссертационной работы, раскрывающие технологические и теоретические особенности метода поверхностного упрочнения изделий, используются в учебном процессе в виде содержательной части лекций при чтении курсов «Технология машиностроения», «Детали машин», «Материаловедение».
Разработка технологий лазерной обработки изделий подтверждена получением положительного решения на изобретение.
Суммарный годовой экономический эффект от внедрения разработанных технологических процессов повышения работоспособности деталей с помощью лазерного упрочнения составил 120 000 рублей в ценах 1992 года и 412 000 в ценах 2003 - 2005 гг.
Апробация работы. Материалы, составляющие основное содержание работы, докладывались и обсуждались более чем на 20 международных, всесоюзных, всероссийских и региональных конференциях, в том числе: международные конференции — «Применение лазерных технологий в машиностроении и приборостроении» (Москва, 1991), «Литейное производство и окружающая среда» (Минск, 1992), «Нетрадиционные и лазерные технологии NALT'92» (Москва, 1992), «Проблемы машиностроения и технологии материалов на рубеже веков» (Пенза, 2003), «Машиностроение и техносфера XXI века» (Донецк, 2003, 2004), «Надежность и ремонт машин» (Орел, 2004, 2005); всероссийские конференции, республиканские и региональные конференции — «Прогрессивные способы плавки» (Киев, 1992), «Строение металлических и шлаковых расплавов» (Екатеринбург, 1994), 21 Гагаринские чтения (Москва, 1995), «Новые материалы и технологии» (Москва, 1995), «Инновации в машиностроении» (Пенза, 2003), 9-21 научно-практические конференции преподавателей, научных работников и студентов Волгодонского института Южно-Российского государст-
венного технического университета, научно-технический семинар кафедры «Лазерная техника и технологии» МВТУ им. Баумана (зав.кафедрой д.т.н. А.Г. Григорьянц), расширенное заседание научно-технического семинара кафедры «Автоматизированные технологические системы» (зав.кафедрой д.т.н. А.Г. Суслов) и технологической секции Брянского государственного технического университета и др.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 33 работы, в том числе 1 монография, получено положительное решение к заявке на изобретение.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов. Основное содержание работы и выводы изложены на 235 страницах машинописного текста. Диссертация содержит 31 рисунок, 16 таблиц и 4 приложения. Список литературы включает 192 наименования.
Пути получения изделий из железоуглеродистых сплавов с заданным качеством поверхностного слоя
Для получения высоких эксплуатационных свойств деталей машин особое внимание обращается на технологическое обеспечение параметров качества их поверхности [1-3,5,7]. Для процессов лазерной обработки особую роль играют как геометрические, так и-физико-механические характеристики качества поверхностного слоя.
Из геометрических характеристик поверхностного слоя (к которым относятся шероховатость, волнистость и макроотклонения) особые требования при лазерной обработке деталей предъявляются к параметрам шероховатости и волнистости. Макроотклонение профиля после обработки не происходит, поскольку лазерное термоупрочнение не вызывает коробления изделий. Изменение геометрических параметров чаще всего оценивают укрупнено, и считают [10,16, 29,30], что изменения шероховатости и волнистости поверхности не происходит, если обработка ведется без оплавления поверхности.
В то же время отмечается [21], что переход от режима обработки без оплавления поверхности к режиму обработки с оплавлением обнаружить сложно. Даже при режимах, достаточно далеких от видимого оплавления на поверхности обрабатываемых изделий, происходит изменение микрорельефа: уменьшение среднеарифметического отклонения профиля Ra, уменьшение средней высоты микронеровностей R:, увеличение радиуса закругления вершин р. Следовательно, при небольшой плотности мощности идет микрооплавление вершин неровностей, что благоприятно сказывается на изменении параметров шероховатости и волнистости. В этом случае лазерное упрочнение способствует повышению физико механических и эксплуатационных свойств - увеличению поверхностной твердости и несущей способности поверхности. При увеличении плотности мощности до обработки с режимом, обеспечивающим оплавление поверхности, параметр р снижается, а параметры Ra и Rz увеличиваются.
При импульсной лазерной обработке параметры шероховатости значительно зависят от степени перекрытия пятен. При увеличении степени перекрытия от небольшого до 50%-ного параметр шероховатости Rz сначала возрастает, а затем заметно снижается. При высокой плотности мощности могут развиваться процессы испарения металла с поверхности, что приводит к ухудшению микрорельефа. Кроме увеличения волнистости в зоне оплавления могут образовываться подрезы и кратеры.
Для обеспечения физико-механических параметров качества поверхностного слоя рассматривают изменение таких характеристик как микротвердость и остаточные напряжения [1-3]. Изменение этих характеристик под действием лазерного излучения связывают с получением структур закалки в ЗЛВ обрабатываемых деталей [10-22,25,29-45].
Структурные и фазовые превращения, а также свойства изделий из железоуглеродистых сплавов, получаемые после лазерного термоупрочнения, обычно сравнивают с аналогичными характеристиками после традиционных способов термообработки.
Лазерное термоупрочнение сталей, подобно другим видам закалки, заключается в формировании на этапе нагрева аустенитной структуры и ее последующем превращении в мартенсит на этапе охлаждения [10-12,15,16,20-22,25-27,29-63].
При лазерной закалке без оплавления поверхности решающей стадией является нагрев, так как при последующем охлаждении, происходящем с большой скоростью, фиксируются превращения при нагреве. При высокоскоростном лазерном нагреве процесс превращения перлита в аустенит происходит в некотором интервале температур - от Ас]нач до Ас1кон, т.е. происходит смещение конца аустенитного превращения в область высоких температур - область 1 (рис. 1.2) [10,34]. Это происходит вследствие того, что подводимая тепловая энергия превосходит по величине энергию, необходимую для перестройки кристаллической решетки, а сама перестройка осуществляется с некоторой конечной скоростью.
Вследствие высокой скорости нагрева диффузионные процессы перестройки решетки объемно-центрированного куба избыточного феррита в решетку гранецентрированного куба аустенита могут не заканчиваться на линии GS диаграммы Fe-Fe3C, и имеет место сдвиг точки А3 и обусловленное этим микрооплавление границы цементита с аустенитом (область 3). При этом процесс диффузионного перераспределения углерода в аустени-те, т.е. гомогенизация аустенита, смещается в область еще более высоких температур [32].
В результате нагрева в процессе лазерной обработки формируется структура, особенности которой обусловлены степенью завершенности процесса аустенизации, определяемой скоростью и температурой нагрева, временем воздействия, исходной структурой. На рис. 1.3 показана предпочтительная температурно-временная зависимость, необходимая для упрочнения сталей и перлитного чугуна [16]. При воздействии лазерного излучения на сталь достаточно высокая температура должна быть достигнута за малый промежуток времени с тем, чтобы началось превращение перлита в аустенит (т. Ау). При этой температуре превращений должна быть определенная выдержка для диффузии избыточного углерода и более равномерного его распределения в аустенитной фазе.
Исследуемые материалы и оборудование. Методика экспериментальных исследований
Для экспериментов были выбраны стали различных классов, имеющие важное народнохозяйственное значение — малоуглеродистая низколегированная сталь 20ГМЛ, среднеуглеродистая конструкционная сталь 35Л, высокоуглеродистая инструментальная У8, высокоуглеродистая легированная быстрорежущая Р6М5 и низкоуглеродистая легированная нержавеющая сталь 12Х18Н9Т8. Химический состав этих сталей приведен в табл. 2.1.Для изготовления деталей машин, работающих в условиях низких климатических температур, используется малоуглеродистая низколегированная сталь 20ГМЛ. Для обеспечения требуемых свойств эта сталь обрабатывается специальной лигатурой, после обработки которой сталь имеет наиболее плотную дендритную структуру с хорошо сросшимися, расположенными упорядоченно боковыми ветвями, минимальное по размеру ау-стенитное зерно и мелкую микроструктуру с высоким содержанием фер-ритной составляющей, минимальными разнозернистостью и дисперсностью зерен феррита и перлита.
Литейная углеродистая конструкционная сталь 35Л относится к группе среднеуглеродистых сталей. Она применяется для изготовления деталей машин, строительных конструкций и других изделий. Поэтому она должна обладать комплексом высоких механических свойств: иметь высокую прочность, вязкость, способность сопротивляться динамическим нагрузкам. В ряде случаев материал должен обладать высоким сопротивлением усталости, износостойкостью, коррозионной стойкостью и т.д.
Высокоуглеродистая инструментальная сталь У8 применяется для изготовления режущих инструментов, работающих с небольшими скоростями резания. Зачастую сталь такого типа используется для инструмента, испытывающего динамические нагрузки. В связи с этим материал должен сопротивляться износу и удару одновременно. Это возможно при сочетании твердого поверхностного слоя, имеющего обычно мартенситную структуру, с вязкой сердцевиной, обеспечиваемой аустенитом.
Быстрорежущая сталь Р6М5 предназначена для изготовления режущих инструментов, работающих при высоких скоростях резания, что требует высокой износостойкости и красностойкости. Красностойкость создается легированием стали карбидообразующими элементами (W, Мо, Сг, V) в таком количестве, при котором они связывают почти весь углерод в карбиды. Микроструктура закаленной и отпущенной стали, обеспечивающая высокую твердость и износостойкость, состоит из мелкоигольчатого мартенсита и карбидов. Кроме карбидов в этой стали могут содержаться ин-терметаллидные фазы типа Fe3W2, Fe3Mo2.
Низкоуглеродистая высоколегированная нержавеющая сталь 12Х18Н9Т8 относится к классу аустенитных сталей и обладает целым комплексом высоких технологических и механических свойств. Это — высокие коррозионные свойства, способность работать в различных агрессивных средах, хорошие пластические свойства в горячем и холодном состояниях, возможность электросваривания. Эти свойства предопределили широкое применение этой стали в машиностроении, в изделиях широкого потребления, в архитектуре.
Лазерную обработку с целью изучения влияния воздействия лазерного излучения на характер перераспределения легирующих элементов, трансформацию неметаллических включений в ЗЛВ сталей проводили на широко используемых в промышленности импульсно-периодическом лазере «Квант-15» и ССЬ-лазере непрерывной генерации «Комета-2».
В твердотельной лазерной установке «Квант-15» в качестве активного элемента используется цилиндрический стержень, выполненный из кристалла алюмоиттриевого граната с добавкой 1...3% неодима. Длина волны излучения 1,06 мкм. Лазер работает в импульсном режиме с энергией излучения до 15 Дж при частоте следования импульсов 1,5; 2; 2,5; 4 мс. Диапазон скоростей перемещения обрабатываемого изделия относительно лазерного луча - 30...300 мм/мин. Возможна обработка образцов как сфокусированным излучением, так и расфокусированным. Сфокусированное излучение обеспечивает диаметр пятна, равный 0,6 мм; при работе за фокальной плоскостью максимальный диаметр пятна, при котором заметны следы лазерного воздействия, составляет 2,8...3 мм. Установка снабжена специальным приспособлением, с помощью которого можно вести обработку в среде требуемого газа. Возможна обработка на открытом воздухе.
Некоторые технические характеристики установки «Комета-2»: длина волны излучения - 10,6 мкм; номинальная мощность выходного излучения - до 1 кВт; перемещение луча относительно образца осуществляется манипулятором со скоростью до 1500 мм/мин; минимальный диаметр сфокусированного луча составляет 3,5 мм; при работе за фокальной плоскостью максимальный диаметр луча равняется 45 мм.
Лазерную обработку сталей проводили с оплавлением и без оплавления поверхности при плотностях мощности от 103 до 106 Вт/см". На лазере непрерывного излучения варьировали скоростью обработки от 20 мм/мин до 500 мм/мин и величиной расфокусировки от обработки сфокусированным излучением до максимальной расфокусировки с диаметром пятна 45 мм. На импульсно-периодическом лазере изменяли напряжение на конденсаторных батареях от 400 до 800 В, длительность импульсов - от 1,5 до 4 мс, частоту следования импульсов - до 10 Гц, скорость перемещения обрабатываемого материала относительно луча — от 40 до 200 мм/мин, величину расфокусировки - от обработки сфокусированным излучением до максимальной расфокусировки с диаметром пятна 3 мм. Лазерную обработку проводили на воздухе и в среде защитного газа - аргона.
Металлографические исследования проводили на микроскопах МИМ-9, "Matavert", "Univar" фирмы "Reichert" (Австрия) и "Epival" фирмы "Karl Zeis Jena" (Германия) при увеличениях в диапазоне 25.. .1000.
Приготовление микрошлифов проводили по следующей методике. Образцы разрезали перпендикулярно следам лазерной обработки. Для выявления основной структуры и структуры зоны лазерного воздействия шлифы железоуглеродистых сплавов перед исследованиями подвергались электролитическому травлению в 10% водном растворе щавелевой кислоты. Режим травления: температура 20-30 С, напряжение 3.. .4 В. Катод -нержавеющая сталь. Время травления - до 60 секунд.
Перераспределение марганца
В результате проведения микрорентгеноспектрального анализа был установлен характер перераспределения основных легирующих элементов - молибдена и марганца - в стали 20ГМЛ при воздействии на образец импульсного лазерного излучения. На рис.4.3 показано распределение Мо и Мп при воздействии излучения с различной длительностью импульса.
Рассмотрим кривую распределения марганца в ЗЛВ после обработки с длиной импульса ги=1,5 мс (рис.4.3,а). Здесь можно выделить несколько участков. Первый, расположенный в зоне оплавления, представляет собой кривую, монотонно снижающуюся от поверхности образца к границе зоны оплавления. Величина зоны оплавления в этом случае составляет 16 мкм. Содержание Мп на поверхности ниже среднего содержания его в основном металле. На границе зоны оплавления кривая распределения Мп имеет минимальное значение.
На втором участке происходит монотонное увеличение содержания Мп до величины, меньшей концентрации его в матрице. Этот участок расположен в пределах 16...75 мкм от поверхности.
Затем (75...110 мкм) концентрация Мп колеблется около этого значения и вновь постепенно растет до уровня, незначительно превышающего среднее содержание в стали (110...160 мкм). Снижение концентрации до среднего значения происходит непосредственно у границы ЗЛВ (215 мкм).
Несколько иной вид имеет распределение Мп в этой стали при обработке ее с длительностью импульса ти=2 мс (рис.4.3,б). Минимальное значение концентрации Мп в ЗЛВ имеет место на поверхности, затем происходит подъем до некоторого уровня, ниже среднего содержания элемента в основном металле. Повышение концентрации наблюдается как в зоне оплавления (25 мкм), так и в зоне закалки из твердого состояния (до 40 мкм от поверхности образца). Достигнутый уровень сохраняется на большом участке ЗЛВ (до 260 мкм от поверхности). К границе ЗЛВ (340 мкм) содержание Мп увеличивается до своего среднего значения. Скачок концентрации, имеющийся в начале зоны закалки из твердого состояния, свидетельствует о наличии включения, содержащего большое количество Мп.
На рис. 4.3, в показано распределение марганца по ЗЛВ после лазерной обработки с длительностью импульса т „=2,5 мс. Содержание Мп на поверхности образца в этом случае находится на уровне среднего значения в основном металле. Минимальная концентрация Мп наблюдается на границе зоны оплавления (30 мкм). После незначительного подъема содержание Мп колеблется на одном уровне практически до границы ЗЛВ. Подъем концентрации до среднего значения происходит на промежутке от 360 до 420 мкм от поверхности.
При обработке стали 20ГМЛ с длительностью импульса г ,,=4 мс в зоне оплавления образца происходит резкое возрастание концентрации Мп по сравнению с исходным состоянием (рис.4.3,г). В этой зоне наблюдается наличие двух участков, имеющих постоянное значение концентрации, примерно равных по ширине (по 50 мкм). Содержание Мп у поверхности образца несколько ниже, чем в глубине зоны оплавления. На границе этой зоны (100 мкм) происходит резкое снижение концентрации до значения, ниже среднего содержания элемента в матрице. Этот уровень сохраняется до глубины 450 мкм, где происходит постепенный подъем и выравнивание концентрации до исходного значения. Глубина ЗЛВ при данной обработке составляет 480 мкм.
Таким образом, анализируя перераспределение Мп по ЗЛВ при воздействии импульсного лазерного излучения с различной длительностью импульса, можно сказать, что наиболее сильное изменение концентрации этого элемента происходит в зоне оплавления, где подвижность атомов наиболее велика. На границе зоны оплавления, как правило, наблюдается наличие экстремума концентрации - минимального при длительности импульса 1,5 и 2,5 мс и максимального при ги=4 мс. Характер распределения Мп по зоне оплавления неодинаков - монотонное убывание от поверхности к границе при ги=1,5мси ги=2,5мс, монотонное возрастание при г ,,=2 мс и скачкообразное изменение концентрации с наличием ступенчатых участков при г ,,=4 мс.
Распределение Мп в зоне закалки из твердого состояния характеризуется стабильностью относительно определенного уровня, содержание элемента на этом участке незначительно меньше среднего значения концентрации Мп в основном металле. Как правило, область стабильного распределения совпадает с зоной столбчатых равноосных кристаллов. На участке хаотично расположенных кристаллов наблюдается повышение содержания Мп до исходного значения.
В результате лазерной обработки с различной длительностью импульса и последующего анализа результатов обработки обнаружено, что существуют режимы, приводящие к уменьшению содержания Мп в поверхностном слое ЗЛВ или, наоборот, к его резкому увеличению.
Трансформация неметаллических включений в зоне лазерной обработки деталей из железоуглеродистых сплавов
Используя методику, описанную в работах [1-3,5,6], а также положения, рассмотренные в настоящей работе, определяем основные показатели качества поверхностного слоя, являющиеся определяющими для повышения эксплуатационных свойств изделий после лазерной обработки. Для этого необходимо решать разные задачи, которые можно свести к двум основным. Первая задача - при известных материале и размерах детали определяют их точность и параметры состояния поверхностного слоя. Эта задача имеет место в том случае, если для изготовления детали используется какой-либо конкретный материал и его замена на другой невозможна по соображениям требований к материалу изделия или его себестоимости. Вторая задача выбора параметров состояния поверхностного слоя должна быть решена, если в качестве заданных характеристик приводятся размеры детали и эксплуатационные свойства. Здесь необходимо определиться с выбором материала детали. Для этого следует воспользоваться методикой обработки изделий излучением лазера с различными энергетическими характеристиками, провоцирующими перенос легирующих элементов в зону лазерной обработки или во внутренние слои детали. В этом случае можно получить поверхностный слой, соответствующий легированному сплаву, на нелегированной основе и осуществить замену дорогостоящего высоколегированного материала на более доступный.
Решение первой задачи сводится к анализу влияния того или иного параметра качества поверхностного слоя на требуемое эксплуатационное свойство, если материал изделия задан, и можно только варьировать микротвердостью зоны лазерной обработки. При лазерной обработке чаще всего требуют повысить износостойкость и снизить коэффициент трения без уменьшения прочности детали. Все эти эксплуатационные свойства де 159 талей определяются физико-механическими характеристиками поверхностного слоя и зависят от свойств материала. Основной характеристикой поверхностного слоя, повышающей износостойкость детали, является микротвердость. Чем выше микротвердость поверхностного слоя изделия, тем выше его износостойкость. И наоборот, повышение микротвердости приводит к снижению прочностных характеристик. Однако при лазерной обработке изделий есть возможность повысить износостойкость без снижения (или заметного снижения) прочности детали. Это становится возможным благодаря особенности лазерного упрочнения - малой глубине зоны термического воздействия. При лазерной обработке можно получить поверхностный слой глубиной несколько десятков или сотен микрометров с высокой микротвердостью, и основной металл без изменения структуры и физических свойств.
Изменение параметров шероховатости, волнистости и макроотклонений не носит противоречивый характер для повышения износостойкости и снижения коэффициента трения. Такие характеристики как максимальное макроотклонение, среднее арифметическое отклонение профиля волн, средняя высота волн, высота неровностей профиля, среднее арифметическое отклонение профиля, снижая коэффициент трения детали, одновременно способствуют повышению ее износостойкости. Поэтому лазерная обработка без оплавления поверхности, снижающая геометрические параметры поверхности детали, повышает износостойкость. Не столь однозначной является обработка с оплавлением поверхности. Важную роль здесь играет коэффициент перекрытия пятен лазерного излучения.
Однако если рассматривать геометрические и физико-механические свойства в совокупности, то основной вклад в повышение износостойкости поверхностного слоя вносят физико-механические характеристики. Но для назначения режимов лазерной обработки с оплавлением поверхности необходимо руководствоваться возможностью ухудшения геометрических параметров поверхностного слоя. Так, например, нельзя проводить лазерную обработку с оплавлением поверхности, как ухудшающую шероховатость поверхности, для рабочих поверхностей металлорежущих инструментов.
Более эффективной для решения основной задачи технологии машиностроения - обеспечения качества изделий при наименьшей их себестоимости - является выбор параметров качества по второму условию, когда по известным геометрическим размерам и эксплуатационным свойствам детали выбирают марку материала.
Рассмотрим варианты выбора материала для изготовления деталей, работающих в условиях трения. При этом необходимо рассмотреть различные обстоятельства, влияющие на физико-механические свойства поверхностного слоя, а значит и на выбор марки материала и на назначение режимов лазерной обработки.
Деталь работает в условиях контакта рабочей поверхности с другой деталью или средой. При этом возникают динамические нагрузки, и происходит истирание, т.е. нарушение геометрических размеров детали в какой-либо локальной области, приводящее к нарушению работоспособности изделия. Примером этому могут служить гребные винты, лопатки различных перемешивающих устройств, ковши, шнеки, лопасти и т.д. Очевидно, что для таких деталей необходимо обеспечить повышенную износостойкость в местах контакта с внешней средой. В большинстве случаев к параметрам шероховатости не следует назначать высоких требований, хотя иногда отклонения геометрических параметров может вызвать появление дополнительных турбулентных потоков, способствующих разрушению изделия. Эти явления возникают при контакте с жидкой или газообразной средой.
