Содержание к диссертации
ГЛАВА I. Литературный обзор. Состояние вопроса. 9
1.1. Принцип работы оптического квантового
генератора (ОКГ) 9
1.2. Термическое воздействие лазерного излучения
на железо-углеродистые сплавы. 15
1.3. Применение лазерного излучения для поверх
ностного модифицирования и наплавки. 23
1.4. Применение лазерной технологии в промышленности 27
ГЛАВА 2. Штериалы и методики проведения исследований 34
Штериалы исследования 34
Металлографический анализ 34
Дюрометрический анализ 36
Рентгєноструктурный анализ 36
Микроспектральный анализ 38
Прочность сцепления наплавленных покрытий 41
Износостойкость наплавленных покрытий 42 ГЛАВА 3. Исследование процесса наплавки и структуры
покрытий на основе порошка вольфрама ( W ). 52
Структура и свойства наплавленных покрытий с использованием порошка вольфрама ( U/ ). 52
Структура и свойства наплавленных покрытий
с использованием порошка состава W-S^O^, 73
3.3. Структура и свойства наплавленных покрытий
с использованием порошка состава W-i^-^C 82
ГЛАВА 4. Исследование процесса наплавки, структуры и
свойства покрытий на основе порошка состава
ПН73ХІЄСЗРЗ 95
- г -
Структура и твердость порошка ПН73ХІ6СЗРЗ. 95
Структура и твердость наплавленного слоя. 101
Прочность сцепления наплавленных покрытий
и подложки. 120
4.4. Износостойкость наплавленных покрытий. 123
ГЛАВА 5. Разработка технологического процесса наплавки
покрытий. 133
Подготовка поверхности детали. 133
Подготовка порошка. 134
Нанесение порошка. 135
Технология наплавки. 139
Механическая обработка. 150 ГЛАВА б. Промышленное внедрение процесса наплавки 152
6.1. Разработка специализированного оборудования
и оснастки. 152
Промышленная проверка технологии и оборудования. 161
Техника безопасности. 163
Расчет экономической эффективности процесса. 170
Перспективы применения технологии лазерной наплавки. 172
ВЫВОДЫ 181
Литература 185
Приложение
Введение к работе
Директивами ХХУІ съезда КПСС поставлена задача создания и внедрения новых прогрессивных методов термической и химико-термической обработки металлов и материалов, превосходящих по своим технико-экономическим показателям лучшие отечественные и зарубежные образцы. Особое внимание необходимо уделять разработке и внедрению оборудования для принципиально новых технологических процессов
Большое значение придается разработке технологических процессов упрочнения деталей машин, для существенного увеличения срока их службы и повышения эксплуатационных характеристик изготавливаемой продукции. Применяемые технологические процессы не всегда по своим технологическим характеристикам, а также придаваемым деталям комп-леском физико-механических свойств, отвечают требованиям производственников и эксплуатационников.
Повышение качества и надежности выпускаемых машин в значительной мере определяется эксплуатационными характеристиками рабочих поверхностей деталей: износостойкостью; коррозионной стойкостью и т.д. Для улучшения этих характеристик используют различные методы термической и химико-термической обработки, наносят на ответственные участки упрочняющие и защитные покрытия, применяют поверхностное легирование различными элементами.
Наряду со многими достоинствами, эти методы обладают существенными недостатками из-за длительности большинства термических процессов; объемным разогревом деталей и, как следствие этого,изменением геометрических размеров, что требует применения дополнительных термических и механических операций. При проведении химико-термической )бработки в некоторых случаях необходимо защищать специальными пас-рами места, не нуждающиеся в насыщении легирующими элементами. Все это ведет к удорожанию технологических процессов.
Поэтому большой интерес представляет разработка новых методов восстановления и упрочнения деталей, с применением концентрированных потоков энергии.
Проведение исследований по изучению влияния лазерного излучения на структуру и свойства материалов, по изучению возможностей применения концентрированных потоков энергии для решения ряда технологических задач и значительные достижения в разработке новых высокоэффективных лазерных систем привели к возникновению нового направления в промышленности - лазерной технологии. Уже на начальных этапах разработки и применения технологии на основе оптических квантовых генераторов (ОКГ) были получены результаты, позволившие значительно увеличить ресурс ряда ответственных деталей машин. Лазерное излучение имеет ряд уникальных характеристик, дающих возможность разрабатывать процессы, практически ранее не осуществимые.
Здесь в первую очередь следует отметить внедренные в промышленность процессы лазерного локального поверхностного термоупрочнения, сварку микросхем и прецезионных деталей, профильную резку и прошивку отверстий. Очень большие перспективы у разрабатываемых технологий локального легирования и нанесения защитных покрытий. Поверхностное модифицирование с использованием лазерного излучения позволит, экономя дорогостоящие легирующие элементы, применять дешевые железо-углеродистые сплавы, придавая им необходимые свойства теплостойкости, износостойкости, работоспособности в условиях агрессивной среды. При этом покрытия можно наносить локально на необходимые участии с минимум разогрева подложки и расходом дорогостоящих порошков. Такая технология обеспечивает снижение производственных затрат за счет экономии дорогостоящих легирующих элементов и порошков, применения дешевых марок железоуглеродистых сплавов и простоты технологического цикла процессов наплавки и легирования
В этой связи задачей данной работы явилось исследование и разработка технологии наплавки покрытий с применением энергии излучения оптического квантового генератора при использовании порошковых композиций в качестве наплавочного материала. Разработанная технология наплавки на основе промышленно выпускаемых материалов обеспечивает необходимые механические свойства наплавляемых покрытий и их высокое качество, что необходимо для успешного промышленного внедрения технологии. В процессе выбора промышленного материала для наплавки, разработаны составы для проведения локального легирования железоуглеродистых сплавов с получением контролируемых структурных составляющих. Работа выполнялась согласно постановлению ГКНТ СССР № 324 от 15.07.80 г. по сквозному тематическому плану научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ Всесоюзного научно-производственного объединения "Ремдеталь" (проблема 03).
Автор защищает:
порошковый состав w-S^ для осуществления локального модифицирования вольфрамом,
порошковый состав W-44-в/Для осуществления наплавки покрытий или локального модифицирования вольфрамом и бором,
порошковый металлополимерный состав на базе органического клея оксиэтилцеллюлозы для лазерной наплавки покрытий,
выявленную связь между технологическими параметрами,фазовым составом и микротвердостью легированных слоев и наплавленных покрытий,
- оптимальные технологические параметры, при которых возможно
осуществление процесса наплавки покрытий,
-технологические режимы наплавки покрытий на детали типа "вал" с использованием излучения оптического квантового генератора мощностью менее одного киловатта,
технологию нанесения наплавочного материала и устройство для его подачи,
разработанное оборудование и оснастку для осуществления процесса наплавки покрытий на детали различной конфигурации,
опыт и результаты промышленного применения наплавки покрытий на детали с использованием порошковых материалов на Бронницкой райсельхозтехнике Московской обл., Кокчетавском производственном объединении "Ремсельмаш" Казахской ССР.
Научная новизна В работе впервые обоснован состав наплавляемого материала для осуществления локального модифицирования железо-углеродистых сплавов вольфрамом и бором с использованием энергии лазерного излучения.Впервые опробован металлополимерный состав для наплавки покрытий на детали. Впервые обоснованы технологические параметры наплавки для самофлюсующихся порошков при использовании энергии лазерного излучения менее одного киловатта. Впервые опробована технология нанесения наплавляемых материалов, подготовка деталей и материалов к наплавке. Впервые рассмотрено влияние технологических параметров наплавки на структуру и свойства покрытий. Впервые опробовано оборудование и оснастка для наплавки покрытий на разнообразные детали.
Область применения
Технология лазерной наплавки была опробована при нанесении износостойких и коррозионностойких покрытий на лапы буровых коронок и диски запорной арматуры для предприятий министерства нефтяного и химического машиностроения с целью увеличения их ресурса и замены заводских технологических процессов. Предполагаемый экономический эффект составит более полумиллиона рублей. Для министерства угольной промышленности и автотранспорта была восстановлена опытная партия деталей автомобилей и горношахтного оборудования. Предполагав-
мый экономический эффект составит 200 тыс.руб. Наиболее широкое распространение технология лазерной наплавки с использованием порошковых материалов получила на предприятиях системы Госкомсельхоз-техники СССР, где она внедряется на заводах для восстановления изношенных поверхностей деталей. Технология внедрена в Бронницкой райсельхозтехнике Московской области с экономическим эффектом 90,0 тыс.руб. и проходит стадию внедрения еще на четырех предприятиях -производственном объединении "Ремсельмаш" Казахской ССР,Коркинском и Могилевском авторемонтном заводах, Елгавской райсельхозтехнике Латвийской ССР.
Постановка задачи До последнего времени в работах, посвященных вопросам использования лазеров при обработке материалов, практически полностью отсутствует информация о применении энергии мощных СОр-лазеров для поверхностного легирования и особенно наплавки. То есть, отсутствует комплекс рекомендаций по технологическим режимам и применяемым для этих процессов материалам, который мог бы послужить основой для разработки технологии наплавки. Поэтому, целью данной работы является исследование структуры и свойств покрытий, выявление зависимости формирования тонкой структуры от режимов обработки и состава наплавочных композиций. Также разрабатывается и обосновывается технология подготовки деталей и наплавочных материалов к наплавке.
