Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Поверхностный слой и его влияние на эксплуата ционные свойства высоконагруженных деталей механического оборудования 11
1.1. Влияние качества, физико-химического состояния и свойств поверхностного слоя на его несущую способность и сопротивляемость изнашиванию И
1.2. Характеристики условий эксплуатации высоконагруженных деталей насосно-компрессорного оборудования и факторы определяющие их предельное состояние. Требования к свойствам поверхностных слоев деталей 16
1.3. Существующие методы поверхностных упрочняющих обработок высоконагруженных деталей 21
1.4. Применение технологических лазеров и лазерной обработки для повышения эксплуатационных свойств поверхностных слоев 28
ВЫВОДЫ 31
ГЛАВА 2. Особенности формирования эксплуатационных свойств поверхностного слоя при лазерном нагреве низкоуглеродистой коррозионно-стойкой стали 32
2.1. Анализ тепловых процессов при лазерном воздействии 32
2.2. Исследование условий формирования структуры и геометрических характеристик зоны лазерного воздействия при обработке коррозионно-стойких упрочняемых сталей 48
2.3. Влияние режимов обработки на закономерности изменения твердости в зоне лазерного воздействия 52
2.4. Влияние предварительной термической обработки на характер изменения микротвердости по глубине зоны лазерного воздействия 56
Выводы 59
ГЛАВА 3. Методы и оборудование для экспериментальных исследований 60
3.1. Технологический комплекс для лазерной обработки 60
3.2. Современные методы оценки свойств деталей с поверхностным модифицированным слоем 62
3.3. Стандартные методы исследований 63
3.4. Метод исследования закономерности изнашивания поверхностно-упрочненных сталей 64
3.5. Неразрушаю щий метод контроля толщины слоя после лазерной обработки 72
3.6. Метод оценки коррозионной стойкости 75
Выводы 77
ГЛАВА 4. Влияние лазерной модификации на свойства поверхностных слоев деталей из коррозионно- стойких упрочняемых сталей 78
4.1. Влияние режимов лазерной обработки на закономерности изменения твердости по толщине поверхностного слоя 78
4.2. Влияние лазерной обработки на износостойкость поверхностного слоя коррозионно-стойкой стали 20X13 85
4 3. Влияние расположения лазерных треков (дорожек) на микротвердость и износостойкость поверхностного слоя 88
4.4. Влияние лазерной обработки на шероховатость и геометрические характеристики поверхностного слоя 95
4.5. Влияние лазерной обработки на сопротивляемость ударным нагрузкам 98
4.5.1. Исследование свойств обработанной лазером нормализованной стали 20Х13 при ударном нагружении 98
4.5.2. Исследование свойств обработанной лазером предварительно объемнозакаленной и низкоотпцщенной стали 20X13 при ударном нагружении 102
4 4.6. Влияние лазерной обработки на статическую прочность стали 20X13 109
Выводы 114
ГЛАВА5. Практические рекомендации и разработка технологии лазерной закалки деталей из низкоуглеродистых коррозионно-стойких сталей (20X13) 117
5.1. Общие рекомендации по выбору режимов лазерной
обработки и параметров упрочненного слоя 117
5.2. Разработка технологических процессов лазерной
обработки деталей насосно-компрессорного оборудования 119
5.3. Рекомендации по методам оценки качества и испытаний упрочненных лазером поверхностных слоев 122
5.4. Технико-экономические критерии внедрения лазерных технологий 123
Общие выводы 125
Список литературы
- Характеристики условий эксплуатации высоконагруженных деталей насосно-компрессорного оборудования и факторы определяющие их предельное состояние. Требования к свойствам поверхностных слоев деталей
- Исследование условий формирования структуры и геометрических характеристик зоны лазерного воздействия при обработке коррозионно-стойких упрочняемых сталей
- Современные методы оценки свойств деталей с поверхностным модифицированным слоем
- Влияние лазерной обработки на износостойкость поверхностного слоя коррозионно-стойкой стали 20X13
Введение к работе
Повышение ресурса тяжело нагруженных деталей химического и нефтегазового оборудования при одновременном снижении их материалоемкости и себестоимости является важной задачей современного машиностроения. Одним из эффективных путей решения этой задачи является разработка и внедрение прогрессивных методов поверхностного упрочнения, так как в условиях эксплуатации именно поверхностный слой деталей подвергается наиболее интенсивным механическим, тепловым и окислительным воздействиям. Поэтому выход из строя деталей многих видов машин и оборудования обусловлен, прежде всего, недостаточной сопротивляемостью изнашиванию.
В настоящее время для формирования требуемых свойств материала в различных отраслях промышленности используют как традиционные методы поверхностных обработок (химико-термическая, закалка токами высокой частоты, поверхностное пластическое деформирование), так и современные методы воздействия на поверхность концентрированными потоками энергии. Однако поверхностное упрочнение с использованием традиционных методов, обычно приводящее к повышению твердости, износостойкости и усталостной прочности, часто сопровождается существенным снижением пластичности, вязкости и трещинностойкости материала, что недопустимо для изделий, работающих в условиях ударного и циклического нагружения. Такой режим нагружения чаще всего встречается при эксплуатации, например, насосно-компрессорного оборудования. В общем случае обоснованный и целенаправленный выбор упрочняющей обработки, обеспечивающей формирование оптимального комплекса свойств композиции «поверхностный слой - основной металл» с учетом конкретных условий эксплуатации деталей, является трудной задачей.
В последние годы большое внимание исследователей привлекают методы формирования поверхностных слоев, основанные на использовании лазерного излучения.
Лазерное поверхностное упрочнение заключается в воздействии интенсивного потока энергии на локальный участок поверхности материала, быстром (со скоростью до 108 град/с) его нагреве и охлаждении. Под действием лазерного излучения происходит резкое повышение энергии электронов в поверхностном слое материала. При этом, часть поглощенной энергии электроны передают атомам решетки, увеличивая, тем самым, уровень тепловых колебаний, а следовательно, - и температуру обрабатываемой поверхности. В процессе сверхскоростного нагрева и охлаждения происходят фазовые превращения. Следует отметить, что плотность мощности лазерного излучения при обработке металлов (до 10 Вт/см ) существенно превосходит другие источники энергии, что позволяет значительно увеличить производительность обработки, а также формировать качественно новые, уникальные свойства рабочих поверхностей деталей, недоступные традиционным методам поверхностных обработок.
Лазерная обработка относится к локальным методам термической обработки поверхностей металлов и обладает рядом существенных особенностей и преимуществ:
высокая концентрация и локальность подводимой энергии позволяет проводить обработку поверхностного слоя требуемой толщины без нагрева остального объема и изменения его структуры и свойств, что практически исключает коробление деталей;
нагрев и охлаждение поверхностного слоя детали с большими скоростями при незначительном времени воздействия обеспечивает получение оптимальной структуры и свойств обрабатываемой поверхности;
возможность регулирования параметров лазерной обработки позволяет целенаправленно формировать структуру поверхностного слоя, его физико-механические свойства, шероховатость, а также геометрические размеры обработанных участков;
возможность обработки на воздухе и автоматизации процессов, а также отсутствие вредных отходов определяют высокую
7 технологичность лазерных методов обработки поверхностей; - возможность транспортировки излучения на значительные расстояния и подвода его с помощью специальных оптических средств в труднодоступные места детали позволяет производить обработку в тех случаях, когда другие методы применить вообще невозможно. Несмотря на преимущества лазерной обработки, по сравнению с традиционными технологиями объемного и поверхностного упрочнения, а также многочисленные исследования в области использования непрерывного излучения СОг-лазера в различных отраслях промышленности, до настоящего времени недостаточно развиты представления о влиянии характеристик лазерного излучения на микроструктуру, тонкое кристаллическое строение, механические и триботехнические свойства коррозионно-стойких упрочняемых сталей, из которых изготавливаются многие высоконагруженные детали, прежде всего, насосно-компрессорного оборудования. Практически отсутствуют данные о влиянии лазерной обработки на свойства высоконагруженных деталей машин с конструктивными концентраторами напряжений, когда действующие нагрузки могут приводить к поломкам деталей. Недостаточно изучено влияние лазерной обработки на кинетику и механизм разрушения поверхностного слоя при ударном изгибном нагружении, не описаны процессы зарождения и распространения трещины в композиции «поверхностный слой - основной металл». В связи с этим целью работы является комплексное исследование условий и закономерностей модификации поверхностных слоев при лазерной обработке непрерывным СОг-лазером деталей из низкоуглеродистых, коррозионно-стойких упрочняемых сталей, изучение их основных свойств и разработка на этой базе технологий лазерной обработки и научно-обоснованных рекомендаций, обеспечивающих получение высококачественных поверхностных слоев, управление процессом формирования заданных свойств при лазерной обработке деталей насосно-компрессорного оборудования газовых производств.
Для достижения указанных целей необходимо решить следующие задачи:
8 выполнить комплексные теоретические и экспериментальные исследования особенностей лазерного воздействия и процессов формирования поверхностных слоев деталей из низкоуглеродистых, коррозионно-стойких, упрочняемых сталей с целью повышения их эксплуатационных свойств;
изучить влияние режимов лазерной обработки на свойства поверхностных слоев, а также установить влияние различных факторов на структурное состояние, физико-механические и триботехнические свойства, а также на сопротивляемость изнашиванию и разрушению при перегрузках;
разработать научно-обоснованные рекомендации по выбору оптимальных режимов лазерной обработки низкоуглеродистых, коррозионно-стойких сталей, обеспечивающих целенаправленное формирование заданных свойств поверхностных слоев высоконагруженных деталей, имеющих концентраторы напряжений и работающих в условиях многофакторного воздействия; разработать методы экспресс-контроля качества и свойств упрочненных лазером деталей;
разработать новые лазерные технологии обработки высоконагруженных деталей насосно-компрессорного оборудования газовых производств.
Практическая ценность и реализация работы в промышленности.
В диссертации на базе теоретических и экспериментальных исследований разработана и внедрена в производство новая лазерная технология поверхностной обработки низкоуглеродистых коррозионно-стойких сталей, использование которой позволяет целенаправленно формировать высококачественные поверхностные слои деталей машин и оборудования, работающего в агрессивных средах (например, в средах с высоким содержанием водорода).
Выявленные в диссертации закономерности формирования свойств
9 поверхностных слоев в зоне лазерного воздействия при обработке коррозионно-стойкой стали и разработанные на этой базе технические решения позволяют значительно увеличить срок службы оборудования, в том числе и взрывопожароопасного исполнения.
Важное значение для практики имеют также полученные в диссертации данные о влиянии лазерной обработки на сопротивляемость разрушению и изнашиванию деталей работающих в условиях многофакторного силового воздействия и в агрессивных средах. Установлены факторы, обуславливающие формирование оптимального микрорельефа поверхностей в зоне лазерной обработки, благодаря чему улучшаются условия трения и снижается скорость изнашивания.
Новые ресурсосберегающие и импортозамещающие лазерные технологии, технологическая оснастка и оригинальные методы экспресс -контроля качества поверхностных слоев используется при изготовлении штоков поршневых компрессоров на ООО «Астраханьгазпром». При этом экономический эффект от используемых технологий составляет ориентировочно 1,5 млн. рублей на один компрессор марки КМ-2 французского производства. В эксплуатации находится 9 компрессоров. Методы исследования и разработки, основанные на результатах исследований, используется при выполнении научно-исследовательских и опытно-экспериментальных работ в научно-производственном предприятии 000 «Агромаш», научно- исследовательском институте ОАО «ВНИИПТ химнефтеаппаратуры» и Волгоградском центре инноваций и инженеринга (ВЦИИН),
Работа выполнена в 000 «Астраханьгазпром» и «Волгоградском государственном техническом университете».
Основные результаты доложены и обсуждены на технических международных конференциях и симпозиумах, в том числе: на Международной конференции «Эффективность реализации научного и промышленного потенциала в. современных условиях» (г.Киев, 2003 г.), на отраслевом совещании главных механиков нефтеперерабатывающих и нефтехимических
10 предприятий России и СНГ (г. Кириши 2003г.), на международном симпозиуме «Потребители-производители насосно-компрессорного оборудо-вания» (г.Санкт-Петербург,2002 г.,2003 г.,2005г.), на международной деловой встрече по надежности компрессорных систем и экономическому мониторингу (Турция, 2002г), на научно-практической конференции (г. Пенза, 2002г.), на международном симпозиуме «Совершенствование конструкций и методов эксплуатации» (Варшава, 2002г.).
Характеристики условий эксплуатации высоконагруженных деталей насосно-компрессорного оборудования и факторы определяющие их предельное состояние. Требования к свойствам поверхностных слоев деталей
Анализ условий эксплуатации показывает, что в ряде случаев детали оборудования работают в жестких условиях нагружения, а также под воздействием агрессивных сред и высоких температур. В качестве примера в табл. 1.2 приводятся условия работы компрессора «Купер - Бессимер», Такие условия работы деталей, в сочетании с высокой нагруженностью узлов, интенсифицируют различные механизмы изнашивания - гидроабразивный, эрозионный и коррозионно-механический.
Наличие так называемых кислых газов и агрессивных жидкостей ускоряют процессы повреждения рабочих поверхностей деталей и приводит к нарушению функциональных свойств узлов и агрегатов. На рис. 1.2 показаны предельные состояния деталей насосно-компрессорного оборудования после длительной эксплуатации. Видны коррозионные разрушения, трещины и другие дефекты, которые обуславливают нарушение работоспособности деталей.
Преждевременное разрушение оборудования в среде, содержащей сероводород и диоксид углерода, связано с коррозионным сероводородным растрескиванием и вспучиванием стали, вызываемым атомарным водородом. При этом активный водород, проникающий в материал детали на большую глубину, образуется в результате электрохимических процессов, идущих на поверхности стали при участии сероводорода, углекислого газа и влаги. Сероводородное растрескивание стали имеет несколько проявлений и определяется рядом внешних и внутренних факторов. К внешним факторам, которые не поддаются корректировке, относятся концентрация в газе сероводорода и углекислого газа, общее давление газа, показатель кислотности среды рН, температура и т.д.
Внутренние факторы определяются способностью материала поверхностного слоя детали сопротивляться процессам разрушения. Поэтому, оптимизируя химический состав, физико-механические свойства и структуру детали, можно целенаправленно формировать заданные свойства, исходя из конкретных условий эксплуатации, и тем самым значительно увеличивать ресурс насосно-компрессорного оборудования.
В большинстве случаев оптимальные свойства для деталей практически невозможно получить только за счет выбора марки стали, тем более что путь получения новых марок сталей практически исчерпан. Поэтому наиболее эффективным условием является применение специальных методов модификации рабочих поверхностей или нанесения специальных покрытий с целью получения принципиально новых характеристик, которые определяют свойства изделия в целом. Наиболее сложным является решение этой проблемы для деталей, работающих в агрессивных средах. Рекомендации по химическому составу сталей для указанных сред достаточно противоречивы. Многочисленными исследованиями установлено, что увеличение содержания углерода в стали снижает сопротивление сероводородному растрескиванию. Так, например, в сталях, термически обработанных на равную прочность, с увеличением содержания углерода от 0,04 % до 0,45 % наблюдается снижение предела длительной коррозионной прочности в 1,8...2 раза.
Легирующие элементы (кремний, кобальт, марганец, алюминий), образующие твердый раствор, в основном снижают сопротивление улучшаемых конструкционных сталей хрупкому и вязкому разрушению, а следовательно, и сероводородному растрескиванию.
Так, например, содержание этих элементов в стали в пределах 0,1% повышает критическую температуру вязко-хрупкого перехода в среднем на 5С и снижает работу развития вязкой трещины на 7 Дж/см . Исключение составляет только никель, который, при содержании его до 0,1 % снижает температуру вязко-хрупкого перехода на 4...10 С. Аналогичное влияние на сопротивление стали водородному разрушению, оказывают и другие элементы.
Следует отметить, что допустимое содержание кремния и марганца может быть несколько повышенным к обычно принятым и составлять 0,4...0,7% Si и до 1,2 %Мп.
Отличительной особенностью влияния карбидообразующих элементов является неоднозначность их воздействия на сопротивление стали хрупкому разрушению и на повышение характеристик сопротивления водородному охрупчиванию. Исследованиями установлено, что оптимальным содержанием химических элементов в поверхностном слое является: 1,0... 1,5 % Сг; 0,4..Д5%Мо; 0,05 % Ті; 0,02...0,06 % Nb; 0,1 % V. При содержании карбидообразующих элементов в указанных пределах повышается сопротивление стали хрупкому разрушению и одновременно возрастает стойкость к водородному охрупчиванию (Fv, тр). Вместе с тем, при увеличении содержания карбидообразующих элементов, сопротивление хрупкому разрушению снижается, а сопротивление охрупчиванию продолжает расти за счет нахождения в твердом растворе (матрице) улучшаемой стали до 40 % карбидообразующих элементов. Эти элементы образуют мелкодисперсные карбиды округлой формы, тем самым, способствуют уменьшению количества возможных «ловушек» водорода в стали.
Присутствие таких элементов, как фосфор, сурьма, олово, сера и т.д., чаще всего приводит к снижению сопротивления стали водородному охруп-чиванию из-за ослабления границ зерен и накапливания водорода на границе раздела «сульфид-матрица». Поэтому содержание указанных элементов в во-дородостойких улучшаемых сталях должно быть минимальным.
Решающее влияние на сопротивление стали коррозионному растрескиванию при работе деталей в сероводородосодержащих средах оказывает структура материала. Так, например, сталь со структурой аустенита обладает наибольшей стойкостью к СР. Это связано с замедлением диффузии водорода в у-железе по сравнению с диффузией в а-железе. Аустенитные хромони-келевые стали не разрушаются под воздействием влажного сероводорода, адсорбируя в 10 раз больше водорода, чем сталь с мартенситной структурой.
В небольших количествах (10...20 %) аустенит может содержаться в конструкционных сталях после закалки. Однако его влияние на стойкость стали к СР отрицательна и связана с его распадом и превращением в мартенсит или бейнит.
Для конструкционных сталей, имеющих в основном решетку а-железа, стойкость к сероводородному растрескиванию зависит от типа структуры, получаемой после термической обработки. Наибольшей стойкостью в сероводородной среде обладают стали со структурой отпущенного мартенсита. Следует также отметить, что уменьшение аустенитного зерна от № 1 до № 8 приводит к повышению стойкости к сероводородному растрескиванию. Влияние структуры на сопротивление конструкционной стали СР во многом аналогично ее влиянию на сопротивление хрупкому разрушению. Интенсивно снижает сопротивление стали хрупкому разрушению, а также водородному охрупчиванию даже небольшое содержание немартенситных структур.
Исследование условий формирования структуры и геометрических характеристик зоны лазерного воздействия при обработке коррозионно-стойких упрочняемых сталей
Одним из основных требований получения высоких эксплуатационных свойств для высоконагруженных деталей, работающих в условиях интенсивного изнашивания, ударных циклических нагрузок и агрессивных сред является формирование мелкодисперсной мартенситной структуры с высокой плотностью дислокации. Именно такие структуры характеризуются высокой твердостью, износостойкостью, требуемой вязкостью и необходимой сопротивляемостью коррозии.
Получение указанной структуры традиционными методами термоупрочнения (например, закалкой ТВЧ) представляет определенные трудности. Особенно это относится к коррозионно-стойким сталям (например, 20X13)с низким содержанием углерода. Отличительной особенностью лазерной обработки такой стали в режиме термоупрочнения является отсутствие выдержки при заданной температуре. Кроме того, подводимая при лазерном воздействии тепловая энергия превосходит энергию, необходимую для перестройки кристаллической решетки, а сама перестройка идет с конечной скоростью. Поэтому структурные превращения в стали при лазерном нагреве происходят не изотермически, а в некотором узком интервале температур
В процессе лазерной обработки происходит смещение на величину Тк температуры окончания процесса превращений в область более высоких температур (рис.2.10). Полученные нами экспериментальные данные свидетельствуют о том, что сдвиг кристаллических точек в зависимости от скорости нагрева для стали 20X13, находится в интервале температур 150...180 С.
Отсутствие выдержки при повышенных температурах в процессах лазерной обработки исключает рост аустенитного зерна, что в свою очередь не приводит к снижению физико-механических свойств, а быстрое охлаждение способствует формированию в поверхностном слое коррозионно-стойкой стали мартенситной структуры с высокой плотностью дислокации. Этому способствует также процесс фазового наклепа.
Размеры зоны лазерного воздействия обусловлены распределением температур в поверхностном слое. Это видно из рис.2.Па, где показаны изотермы, построенные с использованием уравнений тепловой модели.
Из рассмотрения тепловой модели следует, что геометрические размеры ЗТВ зависят от режимов лазерной обработки и, прежде всего от скорости перемещения (сканирования) лазерного луча по поверхности детали.
С увеличением скорости V и уменьшением плотности мощности Р уменьшаются глубина и ширина зоны термического влияния.
На основании теоретического анализа и экспериментальных данных впервые построены зависимости влияния основных параметров лазерного излучения на геометрические размеры зоны лазерного воздействия для коррозионно-стойкой стали 20X13 (рис. 2.11). Зависимости позволяют оперативно на стадии разработки технологических процессов и изготовления назначать оптимальные режимы лазерной обработки с учетом реальных условий эксплуатации конкретных деталей и требований нормативно-технической документации.
Влияние режимов обработки на закономерности изменения твердости в зоне лазерного воздействия
Выше было показано, что лазерная обработка стальных деталей приводит к изменению механических свойств поверхностных слоев, и, прежде всего, твердости. Следует отметить, что именно твердость определяет сопротивляемость изнашиванию и разрушению при различных условиях нагружения.
Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что существует корреляция между физико-механическими характеристиками и твердостью.
Так, например, при определении предела выносливости при кручении пользуются зависимостью T.i 0,75HB, а предел контактной выносливости может быть найден по формуле \ ит_ / , = 0,935НВ, Имеются также многочисленные данные о том, что износостойкость пропорциональна микротвердости локальных объемов металла. Это связано с процессами, протекающими при трении, которые приводят к локальным пластическим деформациям, возникновению зародышевых трещин и отделению частиц металла.
Поскольку деформация локальных объемов определяется движением дислокаций, то повысить сопротивление деформации, предотвратить необратимые процессы «разрыхления» металла можно только в результате такого воздействия на структуру металла, которое приводит к торможению дислокаций.
При лазерном упрочнении за счет измельчения структуры и повышения твердости реализуется дислокационный механизм торможения, обусловленный возникновением таких барьеров для дислокаций, которые обеспечивают оптимальную подвижность и возможность релаксации пиковых напряжений при сильной локализации деформаций. При этом, наряду с высокой прочностью, сохраняется требуемая пластичность.
Из результатов выполненных нами исследований следует, что при лазерной обработке обычных низкоуглеродистых сталей поверхностный слой обладает низкими свойствами. Поэтому лазерная обработка таких сталей не нашла применение в промышленности, а упрочнение используется в основном только для среднеуглеродистых и высокоуглеродистых сталей.
Однако такие марки сталей обладают низкими коррозионными свойствами и не могут быть использованы для изготовления деталей оборудования нефтехимических и газовых производств.
Проблема одновременного повышения конструкционной прочности, триботехнических свойств и коррозионной стойкости базовых деталей оборудования не может быть решена традиционными методами упрочнения или нанесения покрытий. В то же время данные по влиянию лазерной обработки на свойства низкоуглеродистой коррозионностойкой стали (типа 20X13), из которой изготавливается ряд основных деталей, в технической литературе отсутствуют.
Поэтому исследования, связанные с изучением условий формирования свойств низкоуглеродистой стали и технологии ее лазерной обработки являются новыми.
В связи с изложенным, представляет интерес исследование закономерностей изменения твердости локальных объемов металла (микротвердости), расположенных в зоне лазерного воздействия.
В качестве примера на рис.2 Л 2 показаны полученные нами кривые распределения микротвердости по глубине поверхностного слоя после лазерной обработки по различным технологическим вариантам.
Современные методы оценки свойств деталей с поверхностным модифицированным слоем
Особенностью поверхностно-упрочненных деталей является неравномерное распределение твердости и триботехнических свойств поверхностного слоя с расстоянием от поверхности. Поэтому для достоверной оценки сопротивляемости изнашиванию и прогнозирования ресурса деталей важно при испытаниях получить данные о динамике изнашивания слоя толщиной, соответствующей допустимой или предельной величине износа детали в процессе эксплуатации.
В диссертации разработан и широко апробирован в промышленных условиях метод испытаний, с помощью которого может осуществляться оценка износостойкости как непосредственно на рабочих поверхностях поверхностно-упрочненных деталей, так и на образцах-свидетелях. При испытаниях имеется возможность исследовать закономерности и механизм изнашивания различных зон упрочненного слоя с построением кривых изнашивания.
Испытания по предложенному методу реализуются на разработанном испытательном комплексе на базе модернизированной установки «Шкода-Савин» (рис.3.2), который позволяет осуществлять принудительное поступательное перемещение находящегося под заданной нагрузкой вращающегося ролика (контртела) по исследуемой поверхности образца или детали. Такое движение обеспечивается за счет введения в испытательную установку дополнительного электромеханического привода. Электродвигатель через червячную передачу приводит в движение суппорт установки, на котором жестко устанавливается образец-свидетель или деталь. Требуемая линейная скорость перемещения суппорта, а, следовательно, и образца задается частотным преобразователем.
Для сравнительных испытаний использовали обработанные по различным технологическим вариантам призматические образцы, размером 10x10x55 мм, имеющие косой срез с углом а (рис. 3.3), выполненный таким образом, чтобы исследуемая поверхность трения представляла собой все участки упрочненного поверхностного слоя, включая и основной металл.
Испытания заключаются в перемещении вращающегося ролика (контртела) и его внедрении в исследуемую поверхность образца. Условия испытаний характеризуются скоростью вращения ролика ш, нагрузкой на ролик F и скоростью V поступательного перемещения образца относительно контртела. В качестве смазочной и охлаждающей жидкости использовали масло индустриальное (И-50). В начальный момент испытаний осуществляется касание цилиндрической поверхности ролика с поверхности образца (рис.3.3,а). Затем ролик нагружается постоянной во времени силой F, в результате чего происходит его внедрение в исследуемую поверхность упрочненного металла. Относительное скольжение ролика и образца происходит за счет вращения ролика с угловой скоростью to. В результате принудительного поступательного перемещения испытуемого образца относительно контртела вдоль косого среза с линейной скоростью V, на испытуемой поверхности образуется непрерывный след (канавка), глубиной ДЛ. Величина Ah, в каждом конкретном случае зависит от сопротивляемости изнашиванию различных участков исследуемого структурыо-неоднородного поверхностного слоя, свойства которого изменяются по глубине. Глубина канавки в процессе испытаний непрерывно фиксируется на регистрационном приборе с точностью 0,001 мм.
Высокая точность метода достигается за счет перемещения контртела вдоль косого среза с минимальной скоростью (V=0,1 мм/мин.) и незначительной, по сравнению с общей толщиной упрочненного слоя, глубиной h внедрения контртела в поверхность испытуемого образца (й 0,05мм). При указанных условиях испытаний изнашиванию последовательно подвергаются все участки материала, например, АБ (см. рис.3.3,6). Поэтому кривая изнашивания, иллюстрирующая результаты испытаний, представляет собой плавно изменяющуюся функцию e(h) (рис. 3.4). Для сравнительных испытаний и исследований триботехнических характеристик, а также прогнозирования ресурса деталей была разработана специальная методика с использованием машины трения СМТ-1. Вид образцов и схема установки показаны на рисЗ,5.
В ряде случаев испытания проводили по схеме «диск-диск». Принцип действия установки основан на истирании поверхностей, прижатых друг к другу силой F. При испытаниях с помощью специальных устройств осуществляли запись момента трения и температуры в зоне контакта. Частота вращения ролика составляла 1000 об/мин. Количество циклов испытаний определялось в зависимости от целей испытания.
В некоторых опытах нагрузку на колодку изменяли ступенчато. При испытаниях на разных нагрузках непрерывно осуществляли запись момента трения и температуры. Испытания носили сравнительный характер, в качестве среды использовали масло И-50.
Величину износа определяли по уменьшению диаметра исследуемого образца - ролика, а также по результатам взвешивания на разных стадиях испытаний.
Для изучения изменений топографии поверхностей трения в процессе изнашивания осуществляли запись профилограмм на приборе «Калибр 201».
Выбор режимов испытаний осуществляли в зависимости от условий эксплуатации деталей. При ступенчатом нагружении последовательно осуществляли нормальные и форсированные режимы.
Типовые кривые динамики изнашивания, получаемые в результате испытаний, схематично показаны на рис. 3,6.
Влияние лазерной обработки на износостойкость поверхностного слоя коррозионно-стойкой стали 20X13
На практике чаще всего лазерной закалке могут подвергаться детали, у которых ширина площадки контакта значительно превышает ширину дорожки, получаемой при единичном проходе луча, В связи с этим для оптимизации процесса лазерной обработки необходимо осуществить целенаправленный выбор схемы расположения лазерных дорожек, т.к. от этого зависят эксплуатационные свойства упрочненных деталей.
Выбор схемы расположения треков при ЛО определяется, прежде всего, условиями работы трущейся поверхности, в соответствии с которой должен формироваться комплекс свойств поверхностного слоя детали.
Оптимальное расположение дорожек на поверхности детали можно получить при вполне определенных значениях скорости VM перемещения лазерного луча по поверхности детали.
Из анализа геометрических характеристик зоны лазерной обработки следует, что схемы с частичным наложением (перекрытием) лазерных дорожек или при обработке «встык» (перекрытие К=0) реализуются в том случае, если скорость перемещения лазерного луча по поверхности детали определяется зависимостью VJI = П. (А]) где dr ширина упрочненной зоны, (измерения на поверхности детали), получаемая при единичном проходе лазерного луча; к - перекрытие зон лазерного воздействия.
Следует отметить, что как было показано при анализе тепловых процессов (см.гл. 2) диаметр фокального пятна в,ф и ширина упрочненной зоны не совпадают. Расчеты и экспериментальные исследования показали, что 4,=(2,5-3)0 Очевидно, что схема расположения дорожек будет влиять не только на процессы формирования структуры и свойства металла, прежде всего в зоне их перекрытия, но и на процессы изнашивания, а также износостойкость поверхностных слоев.
Для выбора наиболее рационального расположения лазерных дорожек с точки зрения повышения износостойкости, был проведен ряд экспериментов. Лазерная обработка проводилась с разным перекрытием дорожек. В наших экспериментах величина перекрытия зменялась в пределах от (0 - 0,7)4 , что соответствовало изменению шага в пределах d} S 0,34, .
В качестве характеристик свойств поверхностного слоя были приняты значения микротвердости, определяемые вдоль образующей цилиндрической поверхности в направлении скорости перемещения лазерного луча.
На рис. 4.5 показаны кривые микротвердости, полученные при измерениях упрочненных поверхностей, обработанных по различным технологическим вариантам. Замеры микротвердости проводили на поперечных шлифах на расстоянии 0,05 мм от поверхности. Из рис. 4.5(a) видно, что при лазерной обработке с малыми значениями к в месте частичного наложения дорожек имеются неупрочненные участки со значениями микротвердости, практически не отличающимися от микротвердости исходного металла. Учитывая реальные условия эксплуатации деталей, такое резкое снижение микротвердости в указанной области (между дорожками) должно оказывать отрицательное влияние на триботехнические свойства деталей.
При увеличении перекрытия до 0,5-с1л1 (рис. 4.5, б) на упрочненной поверхности детали наблюдаются закаленные и отпущенные участки с мартенситной и трооститной структурами. Ширина зоны отпуска с пониженной микротвердостью до 4000 МПа составляют приблизительно 0,4 мм.
При лазерной обработке с коэффициентом перекрытия к 0,5-сІлі характер распределения микротвердости не изменяется. При этом положительным эффектом являются увеличение толщины упрочненного слоя. Исследованиями установлено, что образование участков поверхностного слоя с пониженной микротвердостью обусловлено повторным нагревом до температуры отпуска. Этот эффект связан с наложением тепловых полей следующих друг за другом лазерных дорожек.
Полученные результаты необходимо учитывать при разработке лазерной технологии и выборе режимов обработки конкретных деталей.
С целью изучения закономерностей изнашивания поверхностных слоев при обработке длинномерных деталей, когда имеет место наложение лазерных дорожек были проведены испытания на машине трения СМТ-1 по схеме «диск-диск» в среде индустриального масла И-50 при температуре 353-363 К. Для испытаний были изготовлены ролики из стали 20X13, диаметром d = 50 мм и ширина 1-Ю мм. Обработку осуществляли по различным технологическим вариантам (см. табл.4.1.).
Перед испытаниями изучали микрогеометрию поверхности, а образцы-свидетели подвергали металлографическим исследованиям. Испытания проводили на базе 2-10 циклов при нагрузке F = 2 кН. Износостойкость на разных стадиях испытаний оценивали по изменению диаметра ролика, а также при взвешивании. Поскольку размеры поверхности трения превышали ширину лазерного трека, образованного при единичном проходе лазерного луча (сїл 1)то в процессе трения участвовали определенным образом расположенные структурно-неоднородные участки. Важно было установить влияние на износостойкость расположения и размеров этих участков.
В настоящее время имеются некоторые данные, свидетельствующие о том, что при трении некоторых структурно-неоднородных материалов происходит самопроизвольное образование волнистой поверхности, что можно объяснить различием скорости изнашивания локальных участков, имеющих различное структурное состояние.
Кроме того, известны способы обработки, с помощью которых на рабочей поверхности формируются специальный микрорельеф, который представляет собой искусственно созданные при механической обработке масляные карманы, увеличивающие маслоемкость поверхностей и ограничивающие присутствие продуктов износа в зоне трения.
