Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы и постановка задачи исследования 9
1.1. Характеристика объекта исследования . . 9
1.2. Анализ современного уровня технологии лазерного упрочнения чугунных деталей . 12
1.3. Выводы и постановка задачи исследования . 31
Глава 2. Методика исследования . 33
2.1. Схема исследования . . . . . . 33
2.2. Материалы и изготовление образцов. . . 33
2.3. Оборудование для лазерной обработки . . 35
2.4. Определение максимальной температуры поверхности в зоне лазерного воздействия . 38
2.5. Определение диаметра пятна излучения на обрабатываемой поверхности . 39
2.6. Определение времени лазерного воздействия . 40
2.7. Математическое планирование эксперимента . 40
2.8. Металлографический анализ . 49
2.9. Определение глубины зоны лазерного воздействия . 49
2.10. Определение величины зерна аустенита зоны оплавления 50
2.11. Определение твердости и микротвердости . 51
2.12. Рентгеноструктурный анализ . 51
2.12.1. Определение фазового состава . 52
2.12.2. Определение параметров решетки . . 53
2.13. Испытания на износостойкость . 53
Глава 3. Результаты экспериментальных исследований 55
3.1. Металлографические исследования чугуна в исходном состоянии . 55
3.2. Влияние режимов лазерной обработки на микроструктуру и свойства серого чугуна . 59
3.3. Дефекты зоны оплавления. ... 73
3.4. Влияние режимов лазерной обработки на
глубину зоны лазерного воздействия . 75
3.4.1. Определение глубины зоны оплавления. . 84
3.5. Влияние режимов лазерной обработки на величину зерна аустенита в зоне оплавления . .89
3.6. Влияние режимов лазерной обработки на микротвердость зоны лазерного воздействия . 92
3.7. Влияние размера упрочняющей фазы на напряжения сдвига и износостойкость чугуна . . . 102
3.8. Влияние режимов лазерной обработки на износостойкость серых чугунов . . . . . 108
Глава 4. Выбор параметров технологического процесса лазерного упрочнения деталей судовых ЛВС 115
4.1. Параметры технологического процесса . . 115
4.2. Построение графических зависимостей . . 116
4.3. Выбор параметров режима технологического процесса лазерного упрочнения чугунных деталей судовых ДВС .122
4.3.1. Схема упрочнения головок поршней судовых ДВС 123
4 4.3.1. Схема упрочнения втулок цилиндров судовых ДВС 125
4.4. Расчет технико-экономической эффективности
технологии лазерного упрочнения чугунных деталей ЦПГ
судовых ДВС . 126
4.4.1. Расчет для головок поршней судовых ДВС 126
4.4.2. Расчет для втулок цилиндров судовых ДВС 131
Заключение 135
Список литературы .
- Анализ современного уровня технологии лазерного упрочнения чугунных деталей
- Определение диаметра пятна излучения на обрабатываемой поверхности
- Влияние режимов лазерной обработки на микроструктуру и свойства серого чугуна
- Выбор параметров режима технологического процесса лазерного упрочнения чугунных деталей судовых ДВС
Введение к работе
Эффективность эксплуатации судов транспортного флота в значительной степени определяется техническим состоянием их энергетических установок. Сложные условия эксплуатации судовых дизелей (возрастание механических и температурных напряжений, использование высокосернистых тяжелых сортов топлива) обуславливают необходимость повышения их ресурса.
В настоящее время развитие судовых технических средств характеризуется возрастанием удельных нагрузок, передаваемых их узлам и деталям. При этом суда морского транспорта переходят на систему технического обслуживания и ремонта по их фактическому состоянию. В этой связи возникает проблема повышения эксплуатационной надежности деталей судовых машин и механизмов на стадии их изготовления или ремонта.
Наиболее нагруженными деталями двигателей внутреннего сгорания (ДВС) являются детали цилиндропоршневой группы (ЦПГ), износ рабочих поверхностей которых определяет межремонтный период работы двигателей.
Материалом большинства ответственных и дорогостоящих деталей ЦПГ (цилиндровые втулки, поршни, поршневые кольца и др.) является серый перлитный чугун, который в наибольшей степени, как антифрикционный материал, удовлетворяет требованиям, предъявляемым к этим деталям.
Повышение износостойкости рабочих поверхностей деталей из серого чугуна достигается различными технологическими методами (азотированием, фосфатированием, хромированием, высокочастотной закалкой и др.). В последние годы при производстве и ремонте данных деталей более широкое применение находит лазерная обработка, которая позволяет:
получить качественно новые эксплуатационные свойства поверхностей, недоступные получению традиционными методам;
обеспечить минимальную остаточную деформацию деталей;
увеличить производительность;
полностью автоматизировать технологический процесс.
Формирование износостойкой поверхности при лазерной обработке представляет собой сложный и дорогостоящий процесс, результаты которого зависят от:
теплофизических свойств материала;
энергетических и технологических параметров обработки;
исходной структуры и состава обрабатываемого материала;
полноты протекания фазовых превращений.
В связи с этим технология лазерного упрочнения должна быть адаптирована к конкретным деталям с. учетом особенностей их производства или ремонта. Отсюда актуальной становится задача разработки научно-практического метода, обеспечивающего высокую износостойкость упрочняемых поверхностей деталей судовых ДВС на реальных (экономически обоснованных) режимах лазерной обработки.
Выполнение настоящей диссертационной работы связано с планом научно-исследовательских работ Морского государственного университета им. адм. Г.И. Невельского (ГБТ «Совершенствование технологии лазерного упрочнения деталей судовых технических средств», № гос. регистрации 01 2003 12633).
Объектом исследования является процесс формирования износостойкой поверхности чугунных деталей судовых ДВС методом лазерного упрочнения.
Целью настоящего исследования является повышение долговечности чугунных деталей судовых ДВС лазерной обработкой,
7 обеспечивающей высокую износостойкость рабочих поверхностей
на экономически обоснованных режимах.
Степень обоснованности и достоверности научных положений, выводов и рекомендаций вытекает из приведенных в работе теоретических и экспериментальных исследований.
Достоверность полученных результатов обеспечена применением современных методов исследования и экспериментальными данными.
Научная новизна работы. Проведено детальное изучение процесса формирования износостойкой рабочей поверхности чугунных деталей судовых ДВС при высокоскоростной лазерной обработке, обеспечивающего необходимые структуру, механические свойства поверхности и экономическую эффективность процесса:
определены граничные условия процесса лазерного упрочнения с микрооплавлением поверхности;
изучено влияние температуры и времени лазерного воздействия, как основных параметров процесса формирования износостойкой поверхности при лазерном упрочнении;
разработаны математические модели процесса формирования износостойкой поверхности (глубины зоны лазерного воздействия; глубины, величины зерна аустенита и микротвердости зоны оплавления) в зависимости от основных параметров процесса;
установлены закономерности формирования структуры износостойкой поверхности, полученной в результате лазерного упрочнения, и влияние этой структуры на механические свойства и износостойкость поверхности;
проведен анализ напряжений сдвига в металлической основе серого чугуна в зависимости от размера упрочняющей фазы;
построены графические зависимости основных показателей износостойкой поверхности от основных параметров технологиче-
8 ского процесса лазерного упрочнения; затрат на лазерное упрочнение рабочих поверхностей крупногабаритных деталей от времени лазерного воздействия и площади упрочняемой поверхности.
Практическая ценность. Установлены граничные условия технологического процесса лазерного упрочнения чугунных деталей судовых ДВС. Обоснована возможность и целесообразность использования в качестве основных параметров процесса лазерного упрочнения температуры и времени лазерного воздействия. На основании полученных данных разработана технология высокоскоростной лазерной обработки чугунных деталей судовых ДВС, позволяющая повысить срок их службы в 2...3 раза.
Реализация работы. Технологический процесс внедрен в ООО Научно-техническая компания «Алькор KLTD». По данной технологии проведено опытное упрочнение головок поршней двигателя ДКРН 42/136-10, которое подтвердило ее высокую эффективность. Результаты работы могут быть использованы при ремонте деталей из серого перлитного чугуна, работающих в условиях абразивного износа.
Основные материалы работы докладывались и обсуждались на научных конференциях, в статьях общим объемом 2 печатных листа.
Диссертационная работа изложена на 136 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературных источников и четырех приложений. Работа содержит 41 таблицу и 26 рисунков. В библиографическом списке содержится 105 наименований литературных источников. Приложения представлены на 19 страницах. Общий объем диссертации с приложениями составляет 166 страниц.
Анализ современного уровня технологии лазерного упрочнения чугунных деталей
Проблеме формирования износостойкой поверхности лазерной обработкой у чугунных деталей машин и механизмов и повышения их надежности, как при изготовлении, так и в процессе ремонта посвящены работы [3, 9, 10, 18, 19, 29, 30, 31, 35, 37, 39, 49, 51, 52, 53, 54, 58, 69, 81, 84, 85, 86, 90, 92 и др.].
В результате лазерной обработки серого чугуна поверхностные слои нагреваются до разных температур, поэтому зона лазерного воздействия (ЗЛВ) имеет слоистое строение. По результатам измерения микротвердости и исследования микроструктуры серых чугунов по глубине ЗЛВ можно выделить две принципиально раз личных по природе фазовых превращений зоны - зона оплавления (ЗО) и зона термического влияния (ЗТВ) [37, 53, 54, 67, 85, 86]. Зона оплавления получается при закалке из жидкого состояния. Она имеет дендритное строение, причем дендриты вытянуты в направлении теплоотвода. Графит растворяется в расплаве. Охлаждение в ЗО происходит с очень большой скоростью и поэтому расплав затвердевает с образованием квазиледебурита. В этой зоне имеется мелкодисперсная смесь аустенита и цементита.
Микротвердость в ЗО серых чугунов различных марок, обработанных лазерным излучением, колеблется от 6500 до 10000 МПа, для чугуна СЧ25 - 7400...9000 МПа, для специального низколегированного - 6500...8500 МПа [10, 23, 52, 68, 91].
В работе [90] указывается на отличительную особенность белого чугуна зоны оплавления, полученного при лазерной упрочнении с оплавлением легированного серого чугуна (3,02% С; 1,93% Si; 0,93% Мп; 0,018% S; 0,069% Р; 0,44% О; 1,03% Ni; 0,48% Mo; 0,42% Си). Классический ледебурит белого чугуна представляет собой белую, хрупкую цементитную матрицу с темными, пластичными включениями распавшегося аустенита. Микротвердость ле-дебуритной эвтектики в чугуне составляет // =10000...11250 Н/мм2 [73]. Однако в этом исследовании микротвердость зоны оплавления ниже и колеблется в пределах #,,=4700...6500 Н/мм2. Проведенные комплексные исследования показали, что ЗО имеет инвертированную структуру белого чугуна, т.е. основой является метастабиль-ный аустенит (белая матрица), а темные включения - эвтектическая смесь карбидов и аустенита.
В работах почти не отмечается, что при упрочнении чугуна с оплавлением в зоне оплавления образуются поры, появление которых обусловлено выделением газа, адсорбированного на графите. Наибольшее количество пор образуется при высокой скорости об работки и высокой мощности излучения ( 2,5 кВт) [91, 96]. Весьма распространенными дефектами ЗО являются трещины и выбросы металла из зоны лазерного воздействия, причем вероятность их образования возрастает с увеличением плотности мощности и повышением скорости обработки. Трещины проходят через ЗО и далее распространяются в ЗТВ [84].
Отличительной особенностью строения ЗЛВ серых перлитных чугунов является неровная линия оплавления между ЗО и ЗТВ, что обусловлено эффектом контактного плавления. Теплопроводность графита существенно выше теплопроводности металлической основы чугуна, кроме того, графит — практически абсолютно черное тело, что способствует поглощению лазерного излучения. Тепло легко проникает по графитовым пластинкам и вызывает расплавление металлической основы вокруг них. При этом происходит частичное растворение графита в расплаве, и при последующем охлаждении образуются области со структурой белого чугуна [51, 84].
Зона термического влияния получается при закалке из твердого состояния. Эта зона отличается большой неоднородностью структуры по глубине. Она характеризуется повышенными скоростями нагрева и охлаждения по сравнению с ЗО. Высокая скорость нагрева вызывает значительный перегрев, а высокая скорость охлаждения приводит к разной степени насыщения матрицы углеродом из включений графита, поэтому в ЗТВ наблюдается целый ряд структурных составляющих: аустенитоцементитная, аустенитомар-тенситная, мартенситная, мартенситотрооститная, трооститная, сорбитная [29, 30, 51, 52, 84, 86].
Определение диаметра пятна излучения на обрабатываемой поверхности
За диаметр пятна излучения d принималась ширина следа, оставляемого лучом лазера на закопченной керамической пластине. Определение ширины следа проводилось на измерительном микроскопе МПБ-2 с точностью 0,05 мм. На основании этих измерений был построен градуировочный график, который ставит величину d в соответствие определенному расстоянию L от фокусирующей линзы до плоскости обработки. При градуировке керамическая пластина покрывалась тонким слоем сажи путем ее копчения над огнем спиртовки. Пластина располагалась под углом 30 от горизонтальной поверхности на специальном столе и перемещалась со скоростью 0,04 м/с при полной мощности излучения 1200 Вт. Время лазерного воздействия определялось из соотношения г = , (18) где d - диаметр лазерного луча, м; V - скорость перемещения образца относительно лазерного луча, м/с. Скорость перемещения образцов относительно лазерного луча (скорость обработки) определялась в зависимости от числа оборотов шпинделя станка и величины продольной подачи. В процессе обработки она контролировалась путем определения величины перемещения образца в единицу времени.
На этапе предпланирования эксперимента проводился корреляционный анализ, заключающийся в определении степени связи между двумя случайными величинами X и Y. В качестве меры такой связи использовался коэффициент парной корреляции (R) [76], который изменяется от -1 (строгая обратная линейная зависимость) до 1 (строгая прямая пропорциональность) и определяется по формуле:
Далее делалось потенцирование (a = 10 ) и получалась искомая модель. В том случае, когда экспериментальные данные возрастали или убывали с постоянной скоростью, экспериментальная зависимость между X и Г аппроксимировалась линейной функцией у=а0 + а]Х. (25) Коэффициенты этого уравнения регрессии находились из выражений: N N N N M_M /=1 /=1 /26) JV JV JV a, = — t=1 M9 , (27) 1=1 V=i У где x, и .у, - фактические значения параметров в z-ом опыте; N - количество опытов. Критерием правильности выбора эмпирической формулы и определения значений коэффициентов регрессии в этой формуле являлось совпадение опытных и вычисленных значений в пределах ошибки опыта.
Для вычисления парных коэффициентов корреляции использовалась программа MS Excel. В MS Excel аппроксимация экспериментальных данных осуществлялась путем построения графика с последующим подбором подходящей аппроксимирующей функции [80].
При проведении экспериментального исследования использовались методы математического планирования эксперимента [1, 34, 70, 98]. Ставилась задача получить математические модели для расчета ожидаемых глубины зоны лазерного воздействия, глубины и микротвердости зоны оплавления в зависимости от параметров режима лазерного упрочнения.
Эксперимент по определению влияния параметров лазерного излучения на глубину зоны лазерного воздействия, глубину и микротвердость зоны оплавления был поставлен по программе полного факторного эксперимента 23 [9, 76].
Влияние режимов лазерной обработки на микроструктуру и свойства серого чугуна
Многочисленные исследования структуры чугунов [14, 15, 24, 77] показывают, что графит и фосфидная эвтектика кристаллизуются непосредственно из жидкого чугуна, а механическая смесь феррита и цементита (перлит) путем эвтектоидного распада аусте-нита. Все структурные составляющие серого чугуна имеют раз личные кристаллические решетки с различной ориентацией и не имеют структурного и ориентационного соответствия с матрицей.
Цементит имеет сложную ромбическую кристаллическую решетку: а = 4,515 Л; Ъ = 5,077 Л; с = 6,726 Л, в то время как а-твердый раствор (феррит) имеет кубическую объемно-центрированную с параметром а = 2,861 Л. Решетка графита гексагональная слоистая с параметрами: а = 1,42 Л; с = 3,40 А [15, 32, 102].
Рассматривая структуру исследуемых серых перлитных чугу-нов можно сказать, что эти чугуны не обладают достаточной прочностью и износостойкостью, поскольку на прочностные свойства оказывает влияние состояние включений в сплаве. Сплавы, имеющие некогерентные частицы с большой поверхностной энергией, склонны к образованию трещин на поверхности раздела, вследствие локальной концентрации напряжений после образования дислокационных петель, тогда как в сплавах с когерентными выделениями частиц устраняется локальная концентрация напряжения на границе фаз [77].
Кроме того, важным для упрочнения сплава является форма выделения различных фаз в матрице. Считается, что наиболее равномерное упрочнение сплава происходит при сферической форме частиц. Если же форма выделившейся частицы будет пластинчатая, прямоугольная или иглообразная, то происходит затруднение деформации матрицы из-за эффекта трения на поверхности раздела фаза-частица, что может привести к разрушению сначала частицы, а потом и самого материала [11].
С этих позиций, можно отметить, что в сером чугуне выделение цементита в виде пластинок является некогерентным, включения графита также некогерентные, достаточно больших размеров, неравномерно распределены в объеме сплава и совершенно не связаны с основой (a-Fe) сплава. На основании проведенных исследований можно сделать следующие заключения:
1. Основной причиной низкой износостойкости серого пер литного чугуна является грубая литая гетерогенная структура, не равномерно расположенная на поверхности трущихся пар, где на стыке фаз графита, феррита и цементита формируются и развива ются усталостные трещины.
2. Получить мелкое литое зерно металлической основы чугу на технологически трудно и порой невозможно. Измельчить струк туру и улучшить морфологию фаз чугуна возможно только лазер ів ной обработкой поверхностного слоя в результате нагрева и охла ждения с высокой скоростью.
3. Износостойкость и прочность сплавов с гетерогенной структурой зависит от когерентного выделения упрочняющей фазы, ее форма и дисперсности.
Изучение закономерности образования структуры после лазерной обработки серых чугунов имеет большое научное и практической значение, так как структура, полученная после обработки поверхности лазером, определяет механические и эксплуатационные свойства детали.
В данной диссертационной работе устанавливаются закономерности образования микроструктуры серого чугуна, подвергнутого ла-зерному упрочнению, и исследуется влияние основных параметров процесса упрочнения (температура Т, диаметр лазерного луча d, время лазерного воздействия г) на свойства чугуна [74, 99, 100]. Температура процесса изменялась в пределах 1150...1300 С, время лазерного воздействия - 0,2...0,8 с, диаметр лазерного луча - 2...4 мм. Лазерная обработка проводилась по режимам указанным в главе 2, табл. 5.
В результате лазерной обработки серого чугуна поверхностные слои нагреваются до разных температур, поэтому зона лазерного воздействия (ЗЛВ) имеет слоистое строение. По результатам исследования микроструктуры и измерения микротвердости у исследуемых серых чугунов в поверхностном слое наблюдается неоднородная по глубине структура, и выявляются две зоны: - зона оплавления (ЗО); - зона термического влияния (ЗТВ). Общий вид зоны лазерного воздействия, полученной в режи ме оплавления, показан на рис. 5.
Выбор параметров режима технологического процесса лазерного упрочнения чугунных деталей судовых ДВС
Проводится выбор параметров режима технологического процесса лазерного упрочнения чугунных деталей судовых ДВС на основании следующих входных данных: 1) стоимости детали; 2) уровня рентабельности; 3) марки чугуна упрочняемой детали, химического состава; 4) температуры плавления; 5) требуемой глубины упрочненного слоя; 6) площади рабочей поверхности, подвергаемой лазерному упрочнению; 7) графической зависимости по определению экономиче ской целесообразности лазерного упрочнения; 8) графических зависимостей по определению основных по казателей износостойкой поверхности от выбранныых параметров процесса лазерного упрочнения. Заключается выбор параметров в следующем: 1) определяется стоимость лазерной обработки (исходя из рентабельности); 2) определяется необходимое временя лазерного воздействия, исходя из графической зависимости стоимости лазерного упрочнения от площади упрочняемой поверхности; 3) определяется температура на поверхности и глубина зоны лазерного воздействия, исходя из графической зависимости глубины упрочненного слоя от параметров лазерной обработки; 4) определяется микротвердость упрочненной поверхности, исходя из графической зависимости микротвердости ЗО от параметров лазерной обработки.
Схема упрочнения головок поршней судовых ДВС
Основной причиной отказа головок поршней судовых ДВС является износ торцов канавок под поршневые кольца. Высокие тепловые и механические нагрузки на поршень при наличии агрессивной среды отработанного топлива обуславливают интенсивный износ рабочих поверхностей поршневых канавок. Высота канавки за 1000 часов работы двигателя увеличивается на 0,01 мм [41, 63, 88].
При работе поршневое кольцо находится под воздействием опрокидывающего момента, направленного против часовой стрелки и стремящегося как бы вывернуть кольцо из канавки. Чем больше будет зазор между плоскостями поршневого кольца и канавки, тем больше величина поворота кольца в сторону опрокидывания, результатом которого может стать поломка кольца и остановка двигателя [57].
Одним из способов восстановления головок поршней является установка в поршневую канавку специального противоизносно-го кольца из железоуглеродистого сплава. Практика эксплуатации восстановленных головок поршней показывает, что износостойкость рабочих поверхностей колец без упрочнения недостаточна.
В процессе эксплуатации поршня опорные поверхности про-тивоизносных колец сравнительно быстро приобретают конусообразную форму. Такое кольцо в процессе эксплуатации испытывает напряжения превышающие расчетные, что приводит к его поломке.
Упрочнение поверхности противоизносных колец методами химико-термической обработки, закалкой токами высокой частоты и другими способами не дали положительных результатов, так как приводят к возникновению значительных остаточных деформаций, которые делают поршень неработоспособным.
Наиболее перспективным способом упрочнения противоизносных колец является лазерная обработка опорной и наружной поверхности [75]. Глубина упрочненного слоя задается равной допустимому износу, что дает возможность обеспечить достаточную износостойкость и минимальную остаточную деформацию противоизносного кольца.
Обладая высокой твердостью и износостойкостью, упрочненный слой препятствует интенсивному изнашиванию опорной поверхности поршня в процессе эксплуатации. Кроме того, упрочненные слои опорной и боковой поверхностей противоизносного кольца препятствуют возникновению в ходе работы поршня пластической деформации основного металла кольца.
Упрочнение опорной поверхности, согласно [75], производится лазерным лучом, ось которого направлена к ней под углом 30...45, упрочнение наружной поверхности - лазерным лучом, ось которого направлена по нормали (рис. 25).
В процессе лазерной обработки головка поршня вращается вокруг своей оси на специальном приспособлении. Упрочняемая поверхность формируется в виде чередующихся круговых полос, которые в поперечном направлении имеют ширину равную диаметру лазерного луча. Упрочняемые поверхности противоизносно-го кольца обрабатываются лазерным лучом последовательно.
