eng
Выпуск #2/2017
В.П.Бирюков
Расчетно-экспериментальное определение параметров упрочненных зон при лазерной закалке чугунов и сталей
Расчетно-экспериментальное определение параметров упрочненных зон при лазерной закалке чугунов и сталей
Просмотры: 4394
Технология лазерного термоупрочнения чугунов и сталей повышает твердость, износостойкость и задиростойкость рабочих поверхностей трения. Выявлены условия и режимы лазерной обработки, снижающие негативное влияние зон отпуска.
DOI: 10.22184/1993-7296.2017.62.2.22.32
DOI: 10.22184/1993-7296.2017.62.2.22.32
Теги: hardness laser thermal hardening of cast iron and steel surfaces of friction wear resistance износостойкость лазерное термоупрочнение чугунов и сталей твердость поверхности трения
При назначении режимов лазерного термического упрочнения (ЛТУ) поверхностей трения деталей машин необходимо учитывать условия их эксплуатации, механические и теплофизические свойства исходных материалов. Производительность лазерной обработки определяется глубиной и площадью упрочненной поверхности. Для повышения износостойкости втулки дизеля в два раза достаточно упрочнить 25% площади рабочей поверхности зеркала цилиндра. Задиростойкость цилиндропоршневой группы при этом повышается в 1,8 раза [1]. Экспериментально было установлено, что при упрочнении 50% поверхности трения образцов стали 45, 40Х при испытании на машине трения возвратно-поступательного движения МТВ‑1 в паре с контробразцом из чугуна СЧ20 износостойкость повышается в 3 раза, а при 100%-ном упрочнении – в 3,3 раза по сравнению с неупрочненными образцами [2]. По задиростойкости закаленные лазером образцы не уступает азотированным сталям 40Х и 12ХН3А и значительно – в 1,7 раза – превосходят цементованнную сталь 18ХГТ. Для лазерного упрочнения сталей 45 и 40Х пучком с диаметром сечения 2–4 мм экспериментально обнаружена линейная зависимость возрастания глубины зоны закалки с увеличением диаметра лазерного пучка. Для маложестких и длинномерных деталей дополнительным критерием оптимизации режимов лазерного упрочнения являются минимальные остаточные деформации [3]. Как показал наш опыт внедрения технологии лазерной закалки на ОАО "Красный пролетарий", при лазерном упрочнении накладных направляющих специальных станков для уменьшения деформаций необходимо закалить 20–25% технологической поверхности и 60% рабочей поверхности. При этом остаточные деформации составляют 0,05–0,1 мм на 1 метр длины. Для сравнения при закалке токами высокой частоты (ТВЧ) остаточные деформации составляют 1,5–2,0 мм на 1 метр длины. Эти же обе технологии были использованы для закалки деталей суппортной группы специальных станков. При лазерной закалке станины специального станка длиной 2 метра из чугуна СЧ20 остаточные деформации не превысили 0,1 мм. Деформации станин, закаленных с помощью ТВЧ при серийном производстве станков, составляют 1–1,5 мм, и для обеспечения точности станка требуется длительная обработка шлифованием.
Для реализации экспериментов по лазерному упрочнению чугунных пресс-форм был использован многоканальный СО2-лазер МТЛ‑2М мощностью 2 кВт с длиннофокусной системой транспортировки и фокусировки излучения [4]. Фокусное расстояние линзы 1 240 мм. При выполнении экспериментов были выбраны следующие параметры: скоростные режимы термоупрочнения в диапазоне 3–9 мм/с, смещение лазерного луча относительно кромки 2 мм, диаметр пятна излучения 13 мм, эффективный диаметр пятна 6,8 мм [5]. Это означает, что более 50% энергии лазерного луча тратится на бесполезный нагрев детали до температуры ниже фазового перехода. Эта технология находит практическое применение при работе расфокусированным лучом, как правило, без оплавления поверхности детали, однако при лазерной закалке с перекрытием дорожек образуются зоны отпуска, ширина которых зависит от режимов обработки. При скорости движения лазерного луча 3 мм/с и мощности излучения лазера 880 Вт глубина зоны упрочнения составила 0,82 мм при средней твердости 464 HV. При увеличении скорости обработки до 9 мм/с и мощности лазера до 1 130 Вт получена зона упрочнения с глубиной 0,68 мм, и твердостью 515 HV. Однако на этом режиме обнаружена трещина в закаленном слое. Поэтому оптимальными приняты режимы лазерного термоупрочнения со скоростью перемещения луча 5–7 мм/с. Производственные испытания чугунных деталей формовых комплектов для литья стеклотары показали увеличение их износостойкости в 1,5–2 раза.
Лазерное упрочнение сталей 20, 45, 40Х, ШХ15 проводилось при мощности излучения СО2-лазера 650–800 Вт диаметром пятна 1,9–2,3 мм при скорости перемещения 38–44 мм/с на образцах с размерами 20 Ч 80 Ч 5 мм [6]. Площадь упрочненных зон составляла 20, 40, 60, 80, 100% от номинальной площади. Глубина зон упрочнения не превышала 300 мкм. Твердость нормализованной (20 HRC) и улучшенной (27–30 HRC) стали 45 после ЛТУ находилась в пределах 45–50 HRC и 58–59 HRC соответственно. Твердость закаленной стали ШХ15 сохранилась на уровне 60 HRC. Твердость цементованного слоя стали 20 повысилась на 3 единицы и составила 60 HRC. Триботехнические испытания исследуемых образцов проводили на восьмипозиционной машине трения с возвратно-поступательным движением сопряженных образцов при ступенчатом повышении давления от 0,2 до 40 МПа [7]. Время испытаний на каждой ступени составляло 3,5 часа. В качестве контробразцов использовали образцы с меньшей поверхностью (4 Ч 25 мм), выполненные из стали ШХ15 с твердостью 58–60 HRC. Наибольшую износостойкость показали образцы стали 40Х. Причем значительное увеличение износостойкости образцов показали образцы, у которых закаленная лазером зона составляла более 60%.
Дискретную лазерную обработку сталей 20Х13, 40Х и 95Х18 выполняли с помощью волоконного лазера YLR‑150 и импульсной лазерной установки "Квант‑16" [8]. Исследовалась износостойкость стали 95Х18 после обработки лазером YLR‑150 при следующих режимах обработки: Е = 2,25 Дж, частота следования импульсов 10 Гц, диаметр пятна 0,4 мм, скорость перемещения 5 мм/с, При этом коэффициент заполнения поверхности упрочненными зонами составлял 0,6, 0,9 и 1,0. Эксперименты выполнялись на машине трения Nanovea по схеме "шарик-поверхность". В качестве контртела использовали шарик из ШХ15 диаметром 3 мм. Испытания стали 20Х13 на износостойкость проходили после лазерной обработки на установке "Квант‑16", выполненной при режиме: Е = 8 Дж. Коэффициент заполнения упрочненными зонами составил 0,3, 0,6 и 1,0. Эксперименты проводили на машине трения СМЦ –2 в паре с образцом роликом (сталь 95Х18, твердость 60 HRC). Оказалось, что для стали 95Х18 дискретная термообработка не дает преимуществ. Оптимальная степень заполнения поверхности упрочненными зонами составляет 100% или К = 1,0. Наибольшая износостойкость стали 20Х проявляется при разнице в твердости упрочненных и неупрочненных участков 1 600 МПа и коэффициенте заполнения К = 1,0. Для стали 40Х разница в твердости упрочненных и неупрочненных зон составляет 7 300 МПа и оптимальный коэффициент заполнения Коп = 0,6.
Лазерные комплексы, оснащенные волоконными и другими лазерами мощностью 1–6 кВт, могут выполнять операции по закалке деталей из конструкционных сталей и чугунов с глубиной слоя 1,0–2,0 мм [9–13]. Однако конструкция портальных систем для резки, которые в случае простоя можно использовать для лазерного упрочнения, как правило, не позволяет перемещать оптическую головку по высоте более чем на 100 мм. При толщине детали 50 мм остается возможность дефокусировки лазерного излучения в пределах 50 мм.
Целью настоящей работы являются определение геометрических параметров зон лазерного термоупрочнения в зависимости от мощности, скорости перемещения и дефокусировки лазерного луча.
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
В наших экспериментах лазерное упрочнение производилось на сканере для пространственного управления лазерным лучом образцов из стали 40Х с размерами 12 Ч 16 Ч 70 мм. В качестве источника излучения использовалась лазерная установка "Комета-М" [2]. Для увеличения поглощательной способности на поверхность образцов наносили покрытие СГ504. Металлографические исследования проводили с использованием микротвердомера ПМТ‑3 при нагрузке 0,98 Н, цифрового микроскопа АМ413МL и металлографического микроскопа Альтами МЕТ 1С. В первой серии экспериментов исследовали влияние плотности мощности лазерного излучения на глубину, ширину и микротвердость упрочняемых дорожек при постоянной мощности излучения 1 000 Вт и скорости перемещения луча 10 мм/с расфокусированным и сканирующим с частотой 220 Гц лучом по нормали к вектору его продольного перемещения. Для этого оптическую головку с фокусным расстоянием 400 мм, оснащенную металлическими зеркалами, перемещали вертикально относительно фокальной плоскости по высоте на 10–100 мм.
Во второй серии опытов с помощью метода полного факторного эксперимента (ПФЭ) определяли влияние режимов обработки на параметры упрочненных дорожек. В качестве факторов эксперимента были выбраны мощность излучения W (Вт), скорость обработки V (мм/с) и диаметр лазерного луча d (мм). Для построения математических моделей в качестве откликов системы рассматривались глубина h и ширина b зон лазерной закалки.
Упрочнение опытных образцов производилось для максимальных и минимальных уровней факторов эксперимента, что предусматривает методика ПФЭ [14]. Эксперименты проводились в два этапа – без сканирования расфокусированным лучом и со сканированием (частота f = 220 Гц). Верхние и нижние уровни факторов zi обозначены как z+ и z– соответственно, центр плана z0, диапазон варьирования λ, условные уровни факторов обозначены через xi. Исходные данные представлены в таблице.
В настоящей работе помимо учета влияния факторов эксперимента на отклик, учитывались все возможные взаимодействия факторов между собой.
Таким образом, уравнение регрессии имеет вид [14]:
(1)
где: y – отклик системы; bk – коэффициенты уравнения регрессии; k – число факторов в эксперименте.
По окончании экспериментов изготавливались шлифы по стандартной методике и производились трехкратные измерения глубины и ширины закаленных зон. В расчете определялись все возможные взаимодействия факторов. Количество экспериментов составило 8 для каждой серии.
РЕЗУЛЬТАТЫ
ИССЛЕДОВАНИЙ
И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
По результатам измерений параметров упрочненных зон в первой серии экспериментов построены графики зависимости глубины и ширины зон закалки от изменения расстояния от образца до фокальной плоскости или плотности мощности излучения (рис.1а, b). Обработка результатов экспериментов показала, что высокочастотное сканирование лазерного луча по нормали к вектору его продольного перемещения позволяет повысить площадь поперечного сечения зон закалки в 1,6–2,5 раза по сравнению с упрочнением расфокусированным лучом. Функцию на графике (рис.1а) можно аппроксимировать двумя линейными зависимостями с ограничением области их определения. Например, для возрастающей функции (левая часть графика) предельные значения диаметров лазерного пятна на поверхности детали 2–4 мм, а для убывающей функции (правая часть графика) – 8–10 мм. Тогда решение линейных уравнений регрессии будет иметь адекватные значения.
В результате проведенного регрессионного анализа получена система уравнений регрессии геометрических параметров упрочненных зон в зависимости от режимов обработки. Так, уравнение для определения глубины закалки h без сканирования в натуральных величинах имеет вид
, (2)
со сканированием луча:
(3)
Для расчета ширины b зон закалки без сканирования луча уравнение имеет вид
, (4)
со сканированием луча:
. (5)
Величина соответствующего коэффициента характеризует степень влияния фактора на функцию отклика. Превалирующее влияние на геометрические параметры зон закалки имеет мощность излучения. С увеличением мощности растут ширина и глубина зоны закалки. С ростом скорости перемещения глубина и ширина закаленных зон уменьшается. С увеличением диаметра луча растет глубина и ширина зон закалки.
По уравнениям регрессии проведены расчеты и сопоставлены с результатами эксперимента. Расчетные значения отличаются от фактических глубины и ширины зон закалки не более чем на 4%. Построены сравнительные поверхности, определяющие зависимость между откликами и факторами эксперимента. Сравнительные поверхности построены для функций глубины закалки hбс, hскан = f (W, V) (рис.2а, b) и bбс и bскан = f (W, V) (рис.2c, d) при диаметре расфокусированного лазерного луча 3,5 мм.
Применение высокочастотного сканирования луча приводит к незначительному уменьшению глубины зоны закалки и к увеличению в 2–3 раза ширины упрочненного слоя. Так при скорости перемещения луча 10 мм/с, мощности излучения 700 Вт и при лазерном пятне на поверхности диаметром 2,5 мм ширина зоны закалки составляет 2,284 мм при ее глубине 0,664 мм (рис.3а). При высокочастотном сканировании луча с частотой 220 Гц по нормали к его подаче ширина зоны закалки увеличивается до 6,332 мм при незначительном уменьшении глубины закалки до 0,412 мм. Зона оплавления в первом случае составляет 300–350 мкм при сканировании луча 5–30 мкм. Микротвердость зон закалки расфокусиванным и сканирующим лучом составила 7 180–7 840 МПа и 7 420–8 520 МПа соответственно. Этой глубины достаточно для замены операции азотирования с упрочненным слоем 0,3–0,4 мм операцией лазерной закалки. При 100%-ной закалке поверхностей деталей с наложением дорожек в местах их перекрытия образуются зоны отпуска, составляющие по ширине на упрочняемой поверхности рядом с дорожкой 0,5–3,0 мм расфокусированнным лучом и 0,1–0,2 мм при закалке колеблющимся, с высокой частотой, лучом в зависимости от режимов обработки. Уменьшение размера и количества зон отпуска или их исключение способствует повышению износостойкости и задиростойкости закаленных сканирующим лазерным лучом поверхностей трения деталей машин.
Для многих деталей ширина закаленных зон не превышает 6 мм. К таким детялям относят: штампы и пресс-формы с зонами упрочнения по кромке, поверхности трения шпоночных, шлицевых и резьбовых соединений, поверхности канавок поршней и поршневых колец, втулок цилиндров двигателей машин, зубчатых передач с модулем 0,8–2,2 мм, направляющие и суппорты, шпиндели, клинья металлорежущих станков. Закалке подвергаются 50–60% рабочих поверхностей этих деталей.
Для замены трудоемкой и энергоемкой операции цементации деталей с толщиной слоя 1 мм в первой серии экспериментов получены зоны упрочнения с глубиной слоя 1,2 мм, шириной 6,6 мм и с микротвердостью 7 180–8 300 МПа при диаметре лазерного пятна 5 мм и частоте сканирования 220 Гц.
Из представленных результатов исследований следует, что наименьшие потери энергии лазерного излучения достигаются при дефокусировке луча до 60 мм. Дальнейшее увеличение диаметра луча приводит к значительной потере энергии по краям дорожки закалки – иногда более 50%, но в ряде случаев это допустимо при упрочнении без оплавления, например поверхности кромок штампов.
Применение оптических головок со сканирующими устройствами позволяет повысить качество закаленных слоев и производительность лазерной закалки. Полученные поверхности (см. рис.2) по глубине и ширине закаленных дорожек при дефокусировке лазерного луча на 40 мм наглядно показывают возможность использования дорогостоящего оборудования для лазерной резки в области упочнения деталей лазерным лучом. Для маложестких и длинномерных деталей лазерная закалка без оплавления поверхности экономически нецелесообразна, поскольку при такой технологии необходимо защищать поверхность детали инертными газами для исключения образования окалины, а затем проводить финишное шлифование для устранения остаточных деформаций в пределах 0,05–0,1 мм. Кроме того, лазерная закалка в режиме микрооплавления поверхности обеспечивает возможность 100%-ного визуального контроля упрочненных деталей и не требует дорогостоящих устройств с обратной связью для определения температуры поверхности в процессе работы.
ВЫВОДЫ
• Получены зависимости глубины и ширины упрочненных зон от дефокусировки при постоянной скорости и мощности лазерного луча.
• С помощью регрессионного анализа построены поверхности, наглядно демонстрирующие зависимость параметров зон упрочнения от мощности и скорости перемещения лазерного луча.
• Представлены режимы лазерной закалки, показывающие повышение производительности в 1,6–2,5 раза и микротвердости на 600–1 200 МПа при высокочастотном сканировании лазерного луча по сравнению с упрочнением расфокусированным пучком.
ЛИТЕРАТУРА
1. Матвеев Ю. И. Лазерные технологии в судовом машиностроении. – Н. Новгород: Изд-во ГОУ ВПО ВГАВТ, 2003.
Matveev Ju. I. Lazernye tehnologii v sudovom mashinostroenii. – N. Novgorod: Izd-vo GOU VPO VGAVT, 2003.
2. Бирюков В. П., Дозоров А. В. Лазерные системы для упрочнения, наплавки деталей и точного раскроя листового материала. – Проблемы машиностроения и надежности машин, 2006, № 1, c. 60–66.
Birjukov V. P., Dozorov A. V. Lazernye sistemy dlja uprochnenija, naplavki detalej i tochnogo raskroja listovogo materiala. – Problemy mashinostroenija i nadezhnosti mashin, 2006, № 1, c. 60–66.
3. Пат. 2449028 РФ. Способ закалки поверхностных слоев плоских длинномерных стальных изделий / В. П. Бирюков, Ю. Н. Дроздов, Э. Г. Гудушаури, Б. Н. Михайлин, А. А. Фишков, 2012.
Pat. 2449028 RF. Sposob zakalki poverhnostnyh sloev ploskih dlinnomernyh stal’nyh izdelij / V. P. Birjukov, Ju. N. Drozdov, Je. G. Gudushauri, B. N. Mihajlin, A. A. Fishkov, 012.
4. Шлегель А. Н. Выбор рациональных режимов лазерного упрочнения рабочих кромок чугунных форм для стеклоформующих машин. – Вестник МГТУ "СТАНКИН", 2011, № 3, c.106–109.
Shlegel’ A. N. Vybor racional’nyh rezhimov lazernogo uprochnenija rabochih kromok chugunnyh form dlja stekloformujushhih mashin. – Vestnik MGTU "STANKIN", 2011, № 3, c.106–109.
5. Морозов В. В., Югов В. И., Шлегель А. Н. Исследование износостойкости упрочненных лазерным излучением кромок деталей формовых комплектов для литья стеклотары. – Упрочняющие технологии и покрытия, 2007, № 7, c.52–56.
Morozov V. V., Jugov V. I., Shlegel’ A. N. Issledovanie iznosostojkosti uprochnennyh lazernym izlucheniem kromok detalej formovyh komplektov dlja lit’ja steklotary. – Uprochnjajushhie tehnologii i pokrytija, 2007, № 7, c.52–56.
6. Лаптева В. Г., Куксенова Л. И., Алисин В. В. Влияние лазерной закалки на структуру поверхностных слоев конструкционных сталей и их износостойкость. –Проблемы машиностроения и надежности машин, 2009, № 2, c.79–84.
Lapteva V. G., Kuksenova L. I., Alisin V. V. Vlijanie lazernoj zakalki na strukturu poverhnostnyh sloev konstrukcionnyh stalej i ih iznosostojkost’. – Problemy mashinostroenija i nadezhnosti mashin, 2009, № 2, c.79–84.
7. Куксенова Л. И., Лаптева В. Г., Колмаков А. Г. и др. Методы испытаний на трение и износ. – М.: Интермет Инжиниринг, 2001.
Kuksenova L. I., Lapteva V. G., Kolmakov A. G. i dr. Metody ispytanij na trenie i iznos. – M.: Intermet Inzhiniring, 2001.
8. Кузьмин С. Д., Тарасова Т. В., Белашова И. С. и др. Влияние степени дискретности лазерной обработки на износостойкость сталей и сплавов. – Упрочняющие технологии и покрытия, 2016, № 9, c.9–14.
Kuz’min S.D., Tarasova T. V., Belashova I. S. i dr. Vlijanie stepeni diskretnosti lazernoj obrabotki na iznosostojkost’ stalej i splavov. –Uprochnjajushhie tehnologii i pokrytija, 2016, № 9, c.9–14.
9. Pellizzari M., De Flora M. G. Influence of laser hardening on the tribological properties of forged steel for hot rolls. – Wear, 2011, v. 271, p. 2402–2411.
10. Ion J. Laser Processing of Engineering Materials: principles, procedure and industrial application. – Elsevier Butterworth-Heinemann, 2005.
11. Богданов А. В., Грезев Н. В., Шмелев С. А. и др. Упрочнение колесной стали волоконными лазерами. – Наукоемкие технологии в машиностроении, 2016, № 9, c. 30–37.
Bogdanov A. V., Grezev N. V., Shmelev S. A. i dr. Uprochnenie kolesnoj stali volokonnymi lazerami. – Naukoemkie tehnologii v mashinostroenii, 2016, № 9, c. 30–37.
12. Shariff S. M., Pal T. K., Padmanabham G., Joshi S. V. Influence of chemical composition and prior microstructure on diode laser hardening of railroad steels. –Surface and Coatings Technology, 2013, v. 228, p. 14–26.
13. Soriano C., Leund J., Lambarri J., Navas V G., Sanz C. Effect of laser surface hardening on the microstructure, hardness and residual stresses of austempered ductile iron grades. – Applied Surface Science, 2011, v. 257, p.7101–7106.
14. Евдокимов Ю. А., Колесников В. И., Тетерин А. И. Планирование и анализ экспериментов при решении задач трения и износа. – М: Наук
Для реализации экспериментов по лазерному упрочнению чугунных пресс-форм был использован многоканальный СО2-лазер МТЛ‑2М мощностью 2 кВт с длиннофокусной системой транспортировки и фокусировки излучения [4]. Фокусное расстояние линзы 1 240 мм. При выполнении экспериментов были выбраны следующие параметры: скоростные режимы термоупрочнения в диапазоне 3–9 мм/с, смещение лазерного луча относительно кромки 2 мм, диаметр пятна излучения 13 мм, эффективный диаметр пятна 6,8 мм [5]. Это означает, что более 50% энергии лазерного луча тратится на бесполезный нагрев детали до температуры ниже фазового перехода. Эта технология находит практическое применение при работе расфокусированным лучом, как правило, без оплавления поверхности детали, однако при лазерной закалке с перекрытием дорожек образуются зоны отпуска, ширина которых зависит от режимов обработки. При скорости движения лазерного луча 3 мм/с и мощности излучения лазера 880 Вт глубина зоны упрочнения составила 0,82 мм при средней твердости 464 HV. При увеличении скорости обработки до 9 мм/с и мощности лазера до 1 130 Вт получена зона упрочнения с глубиной 0,68 мм, и твердостью 515 HV. Однако на этом режиме обнаружена трещина в закаленном слое. Поэтому оптимальными приняты режимы лазерного термоупрочнения со скоростью перемещения луча 5–7 мм/с. Производственные испытания чугунных деталей формовых комплектов для литья стеклотары показали увеличение их износостойкости в 1,5–2 раза.
Лазерное упрочнение сталей 20, 45, 40Х, ШХ15 проводилось при мощности излучения СО2-лазера 650–800 Вт диаметром пятна 1,9–2,3 мм при скорости перемещения 38–44 мм/с на образцах с размерами 20 Ч 80 Ч 5 мм [6]. Площадь упрочненных зон составляла 20, 40, 60, 80, 100% от номинальной площади. Глубина зон упрочнения не превышала 300 мкм. Твердость нормализованной (20 HRC) и улучшенной (27–30 HRC) стали 45 после ЛТУ находилась в пределах 45–50 HRC и 58–59 HRC соответственно. Твердость закаленной стали ШХ15 сохранилась на уровне 60 HRC. Твердость цементованного слоя стали 20 повысилась на 3 единицы и составила 60 HRC. Триботехнические испытания исследуемых образцов проводили на восьмипозиционной машине трения с возвратно-поступательным движением сопряженных образцов при ступенчатом повышении давления от 0,2 до 40 МПа [7]. Время испытаний на каждой ступени составляло 3,5 часа. В качестве контробразцов использовали образцы с меньшей поверхностью (4 Ч 25 мм), выполненные из стали ШХ15 с твердостью 58–60 HRC. Наибольшую износостойкость показали образцы стали 40Х. Причем значительное увеличение износостойкости образцов показали образцы, у которых закаленная лазером зона составляла более 60%.
Дискретную лазерную обработку сталей 20Х13, 40Х и 95Х18 выполняли с помощью волоконного лазера YLR‑150 и импульсной лазерной установки "Квант‑16" [8]. Исследовалась износостойкость стали 95Х18 после обработки лазером YLR‑150 при следующих режимах обработки: Е = 2,25 Дж, частота следования импульсов 10 Гц, диаметр пятна 0,4 мм, скорость перемещения 5 мм/с, При этом коэффициент заполнения поверхности упрочненными зонами составлял 0,6, 0,9 и 1,0. Эксперименты выполнялись на машине трения Nanovea по схеме "шарик-поверхность". В качестве контртела использовали шарик из ШХ15 диаметром 3 мм. Испытания стали 20Х13 на износостойкость проходили после лазерной обработки на установке "Квант‑16", выполненной при режиме: Е = 8 Дж. Коэффициент заполнения упрочненными зонами составил 0,3, 0,6 и 1,0. Эксперименты проводили на машине трения СМЦ –2 в паре с образцом роликом (сталь 95Х18, твердость 60 HRC). Оказалось, что для стали 95Х18 дискретная термообработка не дает преимуществ. Оптимальная степень заполнения поверхности упрочненными зонами составляет 100% или К = 1,0. Наибольшая износостойкость стали 20Х проявляется при разнице в твердости упрочненных и неупрочненных участков 1 600 МПа и коэффициенте заполнения К = 1,0. Для стали 40Х разница в твердости упрочненных и неупрочненных зон составляет 7 300 МПа и оптимальный коэффициент заполнения Коп = 0,6.
Лазерные комплексы, оснащенные волоконными и другими лазерами мощностью 1–6 кВт, могут выполнять операции по закалке деталей из конструкционных сталей и чугунов с глубиной слоя 1,0–2,0 мм [9–13]. Однако конструкция портальных систем для резки, которые в случае простоя можно использовать для лазерного упрочнения, как правило, не позволяет перемещать оптическую головку по высоте более чем на 100 мм. При толщине детали 50 мм остается возможность дефокусировки лазерного излучения в пределах 50 мм.
Целью настоящей работы являются определение геометрических параметров зон лазерного термоупрочнения в зависимости от мощности, скорости перемещения и дефокусировки лазерного луча.
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
В наших экспериментах лазерное упрочнение производилось на сканере для пространственного управления лазерным лучом образцов из стали 40Х с размерами 12 Ч 16 Ч 70 мм. В качестве источника излучения использовалась лазерная установка "Комета-М" [2]. Для увеличения поглощательной способности на поверхность образцов наносили покрытие СГ504. Металлографические исследования проводили с использованием микротвердомера ПМТ‑3 при нагрузке 0,98 Н, цифрового микроскопа АМ413МL и металлографического микроскопа Альтами МЕТ 1С. В первой серии экспериментов исследовали влияние плотности мощности лазерного излучения на глубину, ширину и микротвердость упрочняемых дорожек при постоянной мощности излучения 1 000 Вт и скорости перемещения луча 10 мм/с расфокусированным и сканирующим с частотой 220 Гц лучом по нормали к вектору его продольного перемещения. Для этого оптическую головку с фокусным расстоянием 400 мм, оснащенную металлическими зеркалами, перемещали вертикально относительно фокальной плоскости по высоте на 10–100 мм.
Во второй серии опытов с помощью метода полного факторного эксперимента (ПФЭ) определяли влияние режимов обработки на параметры упрочненных дорожек. В качестве факторов эксперимента были выбраны мощность излучения W (Вт), скорость обработки V (мм/с) и диаметр лазерного луча d (мм). Для построения математических моделей в качестве откликов системы рассматривались глубина h и ширина b зон лазерной закалки.
Упрочнение опытных образцов производилось для максимальных и минимальных уровней факторов эксперимента, что предусматривает методика ПФЭ [14]. Эксперименты проводились в два этапа – без сканирования расфокусированным лучом и со сканированием (частота f = 220 Гц). Верхние и нижние уровни факторов zi обозначены как z+ и z– соответственно, центр плана z0, диапазон варьирования λ, условные уровни факторов обозначены через xi. Исходные данные представлены в таблице.
В настоящей работе помимо учета влияния факторов эксперимента на отклик, учитывались все возможные взаимодействия факторов между собой.
Таким образом, уравнение регрессии имеет вид [14]:
(1)
где: y – отклик системы; bk – коэффициенты уравнения регрессии; k – число факторов в эксперименте.
По окончании экспериментов изготавливались шлифы по стандартной методике и производились трехкратные измерения глубины и ширины закаленных зон. В расчете определялись все возможные взаимодействия факторов. Количество экспериментов составило 8 для каждой серии.
РЕЗУЛЬТАТЫ
ИССЛЕДОВАНИЙ
И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
По результатам измерений параметров упрочненных зон в первой серии экспериментов построены графики зависимости глубины и ширины зон закалки от изменения расстояния от образца до фокальной плоскости или плотности мощности излучения (рис.1а, b). Обработка результатов экспериментов показала, что высокочастотное сканирование лазерного луча по нормали к вектору его продольного перемещения позволяет повысить площадь поперечного сечения зон закалки в 1,6–2,5 раза по сравнению с упрочнением расфокусированным лучом. Функцию на графике (рис.1а) можно аппроксимировать двумя линейными зависимостями с ограничением области их определения. Например, для возрастающей функции (левая часть графика) предельные значения диаметров лазерного пятна на поверхности детали 2–4 мм, а для убывающей функции (правая часть графика) – 8–10 мм. Тогда решение линейных уравнений регрессии будет иметь адекватные значения.
В результате проведенного регрессионного анализа получена система уравнений регрессии геометрических параметров упрочненных зон в зависимости от режимов обработки. Так, уравнение для определения глубины закалки h без сканирования в натуральных величинах имеет вид
, (2)
со сканированием луча:
(3)
Для расчета ширины b зон закалки без сканирования луча уравнение имеет вид
, (4)
со сканированием луча:
. (5)
Величина соответствующего коэффициента характеризует степень влияния фактора на функцию отклика. Превалирующее влияние на геометрические параметры зон закалки имеет мощность излучения. С увеличением мощности растут ширина и глубина зоны закалки. С ростом скорости перемещения глубина и ширина закаленных зон уменьшается. С увеличением диаметра луча растет глубина и ширина зон закалки.
По уравнениям регрессии проведены расчеты и сопоставлены с результатами эксперимента. Расчетные значения отличаются от фактических глубины и ширины зон закалки не более чем на 4%. Построены сравнительные поверхности, определяющие зависимость между откликами и факторами эксперимента. Сравнительные поверхности построены для функций глубины закалки hбс, hскан = f (W, V) (рис.2а, b) и bбс и bскан = f (W, V) (рис.2c, d) при диаметре расфокусированного лазерного луча 3,5 мм.
Применение высокочастотного сканирования луча приводит к незначительному уменьшению глубины зоны закалки и к увеличению в 2–3 раза ширины упрочненного слоя. Так при скорости перемещения луча 10 мм/с, мощности излучения 700 Вт и при лазерном пятне на поверхности диаметром 2,5 мм ширина зоны закалки составляет 2,284 мм при ее глубине 0,664 мм (рис.3а). При высокочастотном сканировании луча с частотой 220 Гц по нормали к его подаче ширина зоны закалки увеличивается до 6,332 мм при незначительном уменьшении глубины закалки до 0,412 мм. Зона оплавления в первом случае составляет 300–350 мкм при сканировании луча 5–30 мкм. Микротвердость зон закалки расфокусиванным и сканирующим лучом составила 7 180–7 840 МПа и 7 420–8 520 МПа соответственно. Этой глубины достаточно для замены операции азотирования с упрочненным слоем 0,3–0,4 мм операцией лазерной закалки. При 100%-ной закалке поверхностей деталей с наложением дорожек в местах их перекрытия образуются зоны отпуска, составляющие по ширине на упрочняемой поверхности рядом с дорожкой 0,5–3,0 мм расфокусированнным лучом и 0,1–0,2 мм при закалке колеблющимся, с высокой частотой, лучом в зависимости от режимов обработки. Уменьшение размера и количества зон отпуска или их исключение способствует повышению износостойкости и задиростойкости закаленных сканирующим лазерным лучом поверхностей трения деталей машин.
Для многих деталей ширина закаленных зон не превышает 6 мм. К таким детялям относят: штампы и пресс-формы с зонами упрочнения по кромке, поверхности трения шпоночных, шлицевых и резьбовых соединений, поверхности канавок поршней и поршневых колец, втулок цилиндров двигателей машин, зубчатых передач с модулем 0,8–2,2 мм, направляющие и суппорты, шпиндели, клинья металлорежущих станков. Закалке подвергаются 50–60% рабочих поверхностей этих деталей.
Для замены трудоемкой и энергоемкой операции цементации деталей с толщиной слоя 1 мм в первой серии экспериментов получены зоны упрочнения с глубиной слоя 1,2 мм, шириной 6,6 мм и с микротвердостью 7 180–8 300 МПа при диаметре лазерного пятна 5 мм и частоте сканирования 220 Гц.
Из представленных результатов исследований следует, что наименьшие потери энергии лазерного излучения достигаются при дефокусировке луча до 60 мм. Дальнейшее увеличение диаметра луча приводит к значительной потере энергии по краям дорожки закалки – иногда более 50%, но в ряде случаев это допустимо при упрочнении без оплавления, например поверхности кромок штампов.
Применение оптических головок со сканирующими устройствами позволяет повысить качество закаленных слоев и производительность лазерной закалки. Полученные поверхности (см. рис.2) по глубине и ширине закаленных дорожек при дефокусировке лазерного луча на 40 мм наглядно показывают возможность использования дорогостоящего оборудования для лазерной резки в области упочнения деталей лазерным лучом. Для маложестких и длинномерных деталей лазерная закалка без оплавления поверхности экономически нецелесообразна, поскольку при такой технологии необходимо защищать поверхность детали инертными газами для исключения образования окалины, а затем проводить финишное шлифование для устранения остаточных деформаций в пределах 0,05–0,1 мм. Кроме того, лазерная закалка в режиме микрооплавления поверхности обеспечивает возможность 100%-ного визуального контроля упрочненных деталей и не требует дорогостоящих устройств с обратной связью для определения температуры поверхности в процессе работы.
ВЫВОДЫ
• Получены зависимости глубины и ширины упрочненных зон от дефокусировки при постоянной скорости и мощности лазерного луча.
• С помощью регрессионного анализа построены поверхности, наглядно демонстрирующие зависимость параметров зон упрочнения от мощности и скорости перемещения лазерного луча.
• Представлены режимы лазерной закалки, показывающие повышение производительности в 1,6–2,5 раза и микротвердости на 600–1 200 МПа при высокочастотном сканировании лазерного луча по сравнению с упрочнением расфокусированным пучком.
ЛИТЕРАТУРА
1. Матвеев Ю. И. Лазерные технологии в судовом машиностроении. – Н. Новгород: Изд-во ГОУ ВПО ВГАВТ, 2003.
Matveev Ju. I. Lazernye tehnologii v sudovom mashinostroenii. – N. Novgorod: Izd-vo GOU VPO VGAVT, 2003.
2. Бирюков В. П., Дозоров А. В. Лазерные системы для упрочнения, наплавки деталей и точного раскроя листового материала. – Проблемы машиностроения и надежности машин, 2006, № 1, c. 60–66.
Birjukov V. P., Dozorov A. V. Lazernye sistemy dlja uprochnenija, naplavki detalej i tochnogo raskroja listovogo materiala. – Problemy mashinostroenija i nadezhnosti mashin, 2006, № 1, c. 60–66.
3. Пат. 2449028 РФ. Способ закалки поверхностных слоев плоских длинномерных стальных изделий / В. П. Бирюков, Ю. Н. Дроздов, Э. Г. Гудушаури, Б. Н. Михайлин, А. А. Фишков, 2012.
Pat. 2449028 RF. Sposob zakalki poverhnostnyh sloev ploskih dlinnomernyh stal’nyh izdelij / V. P. Birjukov, Ju. N. Drozdov, Je. G. Gudushauri, B. N. Mihajlin, A. A. Fishkov, 012.
4. Шлегель А. Н. Выбор рациональных режимов лазерного упрочнения рабочих кромок чугунных форм для стеклоформующих машин. – Вестник МГТУ "СТАНКИН", 2011, № 3, c.106–109.
Shlegel’ A. N. Vybor racional’nyh rezhimov lazernogo uprochnenija rabochih kromok chugunnyh form dlja stekloformujushhih mashin. – Vestnik MGTU "STANKIN", 2011, № 3, c.106–109.
5. Морозов В. В., Югов В. И., Шлегель А. Н. Исследование износостойкости упрочненных лазерным излучением кромок деталей формовых комплектов для литья стеклотары. – Упрочняющие технологии и покрытия, 2007, № 7, c.52–56.
Morozov V. V., Jugov V. I., Shlegel’ A. N. Issledovanie iznosostojkosti uprochnennyh lazernym izlucheniem kromok detalej formovyh komplektov dlja lit’ja steklotary. – Uprochnjajushhie tehnologii i pokrytija, 2007, № 7, c.52–56.
6. Лаптева В. Г., Куксенова Л. И., Алисин В. В. Влияние лазерной закалки на структуру поверхностных слоев конструкционных сталей и их износостойкость. –Проблемы машиностроения и надежности машин, 2009, № 2, c.79–84.
Lapteva V. G., Kuksenova L. I., Alisin V. V. Vlijanie lazernoj zakalki na strukturu poverhnostnyh sloev konstrukcionnyh stalej i ih iznosostojkost’. – Problemy mashinostroenija i nadezhnosti mashin, 2009, № 2, c.79–84.
7. Куксенова Л. И., Лаптева В. Г., Колмаков А. Г. и др. Методы испытаний на трение и износ. – М.: Интермет Инжиниринг, 2001.
Kuksenova L. I., Lapteva V. G., Kolmakov A. G. i dr. Metody ispytanij na trenie i iznos. – M.: Intermet Inzhiniring, 2001.
8. Кузьмин С. Д., Тарасова Т. В., Белашова И. С. и др. Влияние степени дискретности лазерной обработки на износостойкость сталей и сплавов. – Упрочняющие технологии и покрытия, 2016, № 9, c.9–14.
Kuz’min S.D., Tarasova T. V., Belashova I. S. i dr. Vlijanie stepeni diskretnosti lazernoj obrabotki na iznosostojkost’ stalej i splavov. –Uprochnjajushhie tehnologii i pokrytija, 2016, № 9, c.9–14.
9. Pellizzari M., De Flora M. G. Influence of laser hardening on the tribological properties of forged steel for hot rolls. – Wear, 2011, v. 271, p. 2402–2411.
10. Ion J. Laser Processing of Engineering Materials: principles, procedure and industrial application. – Elsevier Butterworth-Heinemann, 2005.
11. Богданов А. В., Грезев Н. В., Шмелев С. А. и др. Упрочнение колесной стали волоконными лазерами. – Наукоемкие технологии в машиностроении, 2016, № 9, c. 30–37.
Bogdanov A. V., Grezev N. V., Shmelev S. A. i dr. Uprochnenie kolesnoj stali volokonnymi lazerami. – Naukoemkie tehnologii v mashinostroenii, 2016, № 9, c. 30–37.
12. Shariff S. M., Pal T. K., Padmanabham G., Joshi S. V. Influence of chemical composition and prior microstructure on diode laser hardening of railroad steels. –Surface and Coatings Technology, 2013, v. 228, p. 14–26.
13. Soriano C., Leund J., Lambarri J., Navas V G., Sanz C. Effect of laser surface hardening on the microstructure, hardness and residual stresses of austempered ductile iron grades. – Applied Surface Science, 2011, v. 257, p.7101–7106.
14. Евдокимов Ю. А., Колесников В. И., Тетерин А. И. Планирование и анализ экспериментов при решении задач трения и износа. – М: Наук
Отзывы читателей
