eng
Выпуск #3/2017
В.П.Бирюков, А.А.Фишков, Д.Ю.Татаркин, Е.В.Хриптович
Влияние лазерного упрочнения круглым, профилированным и колеблющимся лучом на повышение ресурса работы деталей машин
Влияние лазерного упрочнения круглым, профилированным и колеблющимся лучом на повышение ресурса работы деталей машин
Просмотры: 4013
Разработана технология лазерного упрочнения металлических деталей. Ширина зоны упрочнения 15–50 мм за один проход позволяет обрабатывать посадочные места шеек валов различных механизмов и машин под подшипники качения и скольжения. Кроме того, технология может быть использована для упрочнения гибочных и других штампов при глубине упрочненного слоя 2,5 мм.
DOI: 10.22184/1993-7296.2017.63.3.28.34
DOI: 10.22184/1993-7296.2017.63.3.28.34
Теги: laser hardening of steel and cast iron products laser welding лазерная закалка стальных и чугунных изделий лазерная сварка
В промышленном производстве используются различные типы лазеров: твердотельные, газовые, волоконные, диодные, дисковые и другие. В большинстве лазерных установок на выходе из резонатора формируется пятно круглого сечения [1]. При обработке поверхности детали таким пятном взаимодействие излучения с материалом в центре локализации пятна задается временем воздействия. В центре пятна это время определяется отношением диаметра луча к скорости его перемещения, при этом вводят допущение, что по краям пятна оно стремится к нулю. Для устранения этого недостатка лазерному пятну на поверхности обрабатываемой детали стремятся придать прямоугольную или близкую к ней форму. Для этого вводят колебания луча вокруг нормали к направлению вектора скорости перемещения детали (или луча) [2]. Используют высокочастотное сканирование луча с частотами 150–1200 Гц или применяют гальваносканеры, обеспечивающие перемещения луча со скоростью до 10 м/с и частотой колебаний луча 3–100 Гц в зависимости от амплитуды. При 100%-ной закалке поверхностей металлических деталей с наложением дорожек в местах их перекрытия образуются зоны отпуска. Их ширина на упрочняемой поверхности рядом с дорожкой составляет 0,5–3,0 мм, если пользоваться расфокусированнным лучом. Если при закалке использовать колеблющийся с высокой частотой луч, то ширина составит 0,1–0,2 мм. Выбор определяется заданным режимом обработки. Уменьшение размера и количества зон отпуска или их исключение способствуют повышению износостойкости и задиростойкости закаленных сканирующим лазерным лучом поверхностей трения деталей машин, работающих в условиях смазывания жидким или пластичным смазочным материалом. При отсутствии смазки в парах трения отклонение твердости поверхностных слоев не должно превышать 6–8 HRC.
Лазерное упрочнение стали AISI 4140 с варьированием размеров перекрытия дорожек закалки от 3 до 6 мм проводили с помощью твердотельного лазера. Были выбраны следующие параметры: размер пятна 12 Ч 8 мм, мощность излучения 800–1200 Вт, скорость перемещения 0,3–2 мм/с, размеры экспериментальных образцов 76,2 Ч 50,8 Ч 25,4 мм [3]. В результате экспериментов определены оптимальные параметры: мощность излучения 850 Вт, перекрытие дорожек 5 мм. При этом получено: глубина закаленного слоя 1,9–2 мм без плавления поверхности, максимальная твердость зон закалки 668–700 HV (58 НRС); твердость на участках перекрытия лазерных дорожек колебалась от 480 HV (48 HRC) до 669 HV (58 НRС); разница глубины двух соседних закаленных дорожек составила 0,2 мм.
Обработку сталей AISI 1018, AISI 4140 и серого чугуна проводили на диодном лазере с постоянной мощностью 4 кВт. Луч имел прямоугольный профиль размером 13 Ч 4 мм [4]. Скорость сканирования варьировалась от 1 000 до 2 000 мм/мин. Испытания на изнашивание проводили по схеме диск – плоскость по стандарту США ASTM G‑99–95A при нагрузке 100 Н без смазочного материала. Образцы из сталей и серого чугуна имели поперечное сечение 15 Ч 10 мм (поверхность трения), при толщине 3,5 мм. Диск был изготовлен из подшипниковой стали SAE52100 и упрочнен до твердости 60–62 HRС. Параметры испытаний: путь трения 5000 м, скорость скольжения 5 м/с. Анализ металлографических исследований показал, что с увеличением скорости перемещения луча микротвердость образцов возрастает. Обнаружено, что для сталей AISI 1018 микротвердость возрастает с 287 до 349 HV, для сталей AISI 4140 – с 559 до 638 HV; для серого чугуна – с 654 до 830 HV. Глубина зон упрочнения для образцов из сталей составила 150–200 мкм, для чугуна 350–400 мкм. При испытании на изнашивание образцов стали AISI 1018 установлено, что наибольшая износостойкость получена при упрочнении лазерным лучом, перемещающимся с минимальной скоростью 1000 мм/мин, и проявляла твердость 287 HV. Это связано с образованием на поверхности окисных пленок, препятствующих износу образца. Износостойкость образцов стали AISI 4140 повысилась в 2,5; 5 и 10 раз пропорционально увеличению скорости 1000, 1500 и 2000 мм/мин перемещения лазерного луча и микротвердости упрочненных зон. Наибольшая износостойкость образцов из серого чугуна продемонстрировала превышение в 10 раз и была получена при средней скорости обработки 1500 мм/мин и микротвердости 739 HV. Важно, что при более высокой твердости упрочненного слоя серого чугуна происходит хрупкое разрушение поверхности образца с отделением крупных частиц износа.
Следующий эксперимент [5] был связан с исследованием действия лазерной обработки с помощью непрерывного CO2-лазера при мощности излучения 2,2–2,7 кВт. Для поперечных колебаний луча использовали сканатор с частотой колебаний зеркала 140–250 Гц и амплитудой до 20 мм. Диаметр лазерного луча варьировали в пределах 2,8–16,2 мм. Упрочнению подвергали образцы из нормализованной стали 40Х с размером 15 Ч 30 Ч 450 мм и чугуна СЧ20 размером 50 Ч 120 Ч 1800 мм. Для увеличения поглощения излучения поверхность образцов обрабатывали специальным покрытием СГ504. Получены следующие результаты при воздействии на образцы стали марки 40Х лучом с диаметрами 6 и 8 мм. В результате размеры зон упрочнения составили: максимальная глубина закаленного слоя 1,2 мм, ширина 14–15 мм. Условия эксперимента: скорость перемещения луча 0,2 м/мин, амплитуда колебаний луча 18–19 мм, плотность мощности 0,23·10–4 Вт/см2, оплавление поверхности отсутствует. При лазерной закалке чугуна СЧ20 максимальная глубина упрочненного слоя составила 1,2 мм при диаметре луча 16,2 мм без оплавления поверхности, плотность мощности лазерного излучения – (0,094–0,13)·10–4 Вт/см2. Испытания на износостойкость при трении качения образцов стали 40Х показали значительное увеличение износостойкости по сравнению с образцами, для которых в качестве технологии упрочнения были использованы печная закалка и отпуск. Исследования структуры чугуна после испытания показали, что в приповерхностном слое формируется сетка трещин, и эта технология не рекомендуется для использования в узлах трения качения.
Целями работы являются: увеличение ширины зоны лазерной закалки за один проход, уменьшение или исключение зон отпуска при лазерном упрочнении для повышения ресурса работы деталей машин.
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
Для экспериментов использовали универсальное оборудование ООО НТО "ИРЭ-Полюс" в составе лазерных установок ЛС‑6, ЛС‑4 и ЛС‑1, робота KUKA, сканера IPG 2D и технологического стола. Лазерное упрочнение производилось на образцах из стали 40Х, 40XH2MA с размерами 12 Ч 16 Ч 70, 10 Ч 60 Ч 180 мм. В качестве варьируемых параметров при эксперименте на лазере ЛС‑6 были избраны: расстояние от фокальной плоскости до рабочей зоны (в пределах 25–200 мм), мощность излучения (1000–2000 Вт), скорость перемещения луча (10–20 мм/с). В эксперименте на волоконных лазерах ЛС‑1, ЛС- 4 при обработке стали 40XH2MA с использованием сканирующих устройств были выбраны следующие условия: расстояние от фокальной плоскости 50–200 мм, шаг сканирования 50–1500 мкм, ширина зон обработки 15–25 и 50 мм, мощность излучения 1000 и 2000–4000 Вт. Металлографические исследования выполняли на микротвердомере DURASCAN‑70 при нагрузке 0,98 Н, микроскопе Olympus GX‑51.
Для определения задиростойкости упрочненных образцов была применена универсальная машина трения МТУ‑01. Испытания проводили по схеме плоскость (образец с лазерной закалкой или образец азотированной стали 40Х) – кольцо (контробразец сталь 40Х с объемной закалкой 52–54HRC). В качестве смазочного материала использовалось масло индустриальное И‑20. Удельное давление изменяли в пределах 1–4 МПа, скорость скольжения 0,5–4 м/с.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
При упрочнении стали 40Х на лазере ЛС‑6 круглым пятном получены дорожки закалки глубиной 0,6–1,2 мм шириной 3,5–5,5 мм в зависимости от расстояния от фокальной плоскости. Лазерная закалка при расстоянии от фокальной плоскости менее 40 мм приводит к кинжальному проплавлению материала основы на глубину 2–4 мм. Микротвердость зон закалки изменялась в пределах 6240–7280 МПа. Для мощности излучения 1000 и 2000 Вт найдены режимы закалки без оплавления поверхности образцов при дефокусировке на 75 и 100 мм и скорости перемещения луча 10 и 20 мм/с соответственно.
При лазерной закалке образцов стали 40XH2MA в импульсном режиме при мощности излучения 1000 Вт и ширине зоны закалки 15–25 мм получены зоны упрочнения с глубиной слоя 0,2–2000 мкм. Микротвердость измеряли по ширине и глубине закаленного слоя с шагом 100 и 200 мкм. На рис.1а,b представлены микрошлифы зон закалки стали 40XH2MA с глубиной закаленного слоя 1,118 мм при ширине зоны 15 мм. Микротвердость упрочненных зон составила 6410–7340 МПа или 56–60 HRC. Графики измерения микротвердости единичной дорожки закалки и с наложением дорожек представлены на рис.2 а,b.
Лазерное упрочнение образцов стали 40XH2MA на установке ЛС–4 проводилось с целью дальнейшего увеличения ширины и глубины зоны закалки. При мощности излучения 2000 Вт получены дорожки закалки с шиной 50 и глубиной 0,2–2,0 мм. Увеличение мощности до 4000 Вт позволило получить слои с глубиной закалки до 2,5 мм при той же ширине обработанной зоны. На рис.3 представлен микрошлиф дорожки закалки стали 40XH2MA.
Проведенные испытания образцов показали повышение износостойкости и задиростойкости в 1,5–2 раза по сравнению с азотированными образцами стали 40Х2НМА.
Разработанная технология широкополосной лазерной закалки лучом волоконного лазера при использовании сканеров IPG 2D позволит расширить номенклатуру деталей. Ширина зоны упрочнения 15–50 мм за один проход позволяет обрабатывать посадочные места шеек валов различных механизмов и машин под подшипники качения и скольжения. Кроме того, эта технология может быть использована для упрочнения гибочных и других штампов при глубине упрочненного слоя 2,5 мм.
ВЫВОДЫ
Для деталей, работающих в условиях ограниченной смазки или без использования смазочного материала, разработана технология лазерного упрочнения на основе использования волоконных лазеров и 2D-сканеров с шириной закаленных слоев 15–50 мм при глубине зоны 0,2–2,5 мм.
Для образцов стали 40Х2НМА износостойкость и задиростойкость зон, упрочненных волоконным лазером, оказалась в 1,5–2,0 раза выше, чем для образцов, прошедших азотирование.
ЛИТЕРАТУРА
1. Справочник по лазерной сварке / Под ред. С. Катояма. – М.: ТЕХНОСФЕРА, 2015.
2. Бирюков В. П. Расчетно-экспериментальное определение параметров упрочненных зон при лазерной закалке чугунов и сталей. – ФОТОНИКА, 2017, № 2.
3. Lakhkar R. S., Shin Y. C., Krane J. M. Predictive modeling of multi-track laser hardening of AISI 4140 steel. – Materials Science and Engineering, 2008, A 480, p.209–217.
4. Sridhar K., Katkar V. A., Singh P. K, Haake J. M. Dry sliding friction wear behaviour of high power diode laser hardened steels and cast iron. – J. Surface Engineering, 2007, v.23, № 2, p.129–141.
5. Иванов Ю. А., Ивашов Г. П., Пикунов А. С., Сафонов А. Н. Особенности лазерной закалки стальных и чугунных изделий в условиях сканирования. – Физика и химия обработки материалов, 1987, № 4, с. 50–54.
Лазерное упрочнение стали AISI 4140 с варьированием размеров перекрытия дорожек закалки от 3 до 6 мм проводили с помощью твердотельного лазера. Были выбраны следующие параметры: размер пятна 12 Ч 8 мм, мощность излучения 800–1200 Вт, скорость перемещения 0,3–2 мм/с, размеры экспериментальных образцов 76,2 Ч 50,8 Ч 25,4 мм [3]. В результате экспериментов определены оптимальные параметры: мощность излучения 850 Вт, перекрытие дорожек 5 мм. При этом получено: глубина закаленного слоя 1,9–2 мм без плавления поверхности, максимальная твердость зон закалки 668–700 HV (58 НRС); твердость на участках перекрытия лазерных дорожек колебалась от 480 HV (48 HRC) до 669 HV (58 НRС); разница глубины двух соседних закаленных дорожек составила 0,2 мм.
Обработку сталей AISI 1018, AISI 4140 и серого чугуна проводили на диодном лазере с постоянной мощностью 4 кВт. Луч имел прямоугольный профиль размером 13 Ч 4 мм [4]. Скорость сканирования варьировалась от 1 000 до 2 000 мм/мин. Испытания на изнашивание проводили по схеме диск – плоскость по стандарту США ASTM G‑99–95A при нагрузке 100 Н без смазочного материала. Образцы из сталей и серого чугуна имели поперечное сечение 15 Ч 10 мм (поверхность трения), при толщине 3,5 мм. Диск был изготовлен из подшипниковой стали SAE52100 и упрочнен до твердости 60–62 HRС. Параметры испытаний: путь трения 5000 м, скорость скольжения 5 м/с. Анализ металлографических исследований показал, что с увеличением скорости перемещения луча микротвердость образцов возрастает. Обнаружено, что для сталей AISI 1018 микротвердость возрастает с 287 до 349 HV, для сталей AISI 4140 – с 559 до 638 HV; для серого чугуна – с 654 до 830 HV. Глубина зон упрочнения для образцов из сталей составила 150–200 мкм, для чугуна 350–400 мкм. При испытании на изнашивание образцов стали AISI 1018 установлено, что наибольшая износостойкость получена при упрочнении лазерным лучом, перемещающимся с минимальной скоростью 1000 мм/мин, и проявляла твердость 287 HV. Это связано с образованием на поверхности окисных пленок, препятствующих износу образца. Износостойкость образцов стали AISI 4140 повысилась в 2,5; 5 и 10 раз пропорционально увеличению скорости 1000, 1500 и 2000 мм/мин перемещения лазерного луча и микротвердости упрочненных зон. Наибольшая износостойкость образцов из серого чугуна продемонстрировала превышение в 10 раз и была получена при средней скорости обработки 1500 мм/мин и микротвердости 739 HV. Важно, что при более высокой твердости упрочненного слоя серого чугуна происходит хрупкое разрушение поверхности образца с отделением крупных частиц износа.
Следующий эксперимент [5] был связан с исследованием действия лазерной обработки с помощью непрерывного CO2-лазера при мощности излучения 2,2–2,7 кВт. Для поперечных колебаний луча использовали сканатор с частотой колебаний зеркала 140–250 Гц и амплитудой до 20 мм. Диаметр лазерного луча варьировали в пределах 2,8–16,2 мм. Упрочнению подвергали образцы из нормализованной стали 40Х с размером 15 Ч 30 Ч 450 мм и чугуна СЧ20 размером 50 Ч 120 Ч 1800 мм. Для увеличения поглощения излучения поверхность образцов обрабатывали специальным покрытием СГ504. Получены следующие результаты при воздействии на образцы стали марки 40Х лучом с диаметрами 6 и 8 мм. В результате размеры зон упрочнения составили: максимальная глубина закаленного слоя 1,2 мм, ширина 14–15 мм. Условия эксперимента: скорость перемещения луча 0,2 м/мин, амплитуда колебаний луча 18–19 мм, плотность мощности 0,23·10–4 Вт/см2, оплавление поверхности отсутствует. При лазерной закалке чугуна СЧ20 максимальная глубина упрочненного слоя составила 1,2 мм при диаметре луча 16,2 мм без оплавления поверхности, плотность мощности лазерного излучения – (0,094–0,13)·10–4 Вт/см2. Испытания на износостойкость при трении качения образцов стали 40Х показали значительное увеличение износостойкости по сравнению с образцами, для которых в качестве технологии упрочнения были использованы печная закалка и отпуск. Исследования структуры чугуна после испытания показали, что в приповерхностном слое формируется сетка трещин, и эта технология не рекомендуется для использования в узлах трения качения.
Целями работы являются: увеличение ширины зоны лазерной закалки за один проход, уменьшение или исключение зон отпуска при лазерном упрочнении для повышения ресурса работы деталей машин.
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
Для экспериментов использовали универсальное оборудование ООО НТО "ИРЭ-Полюс" в составе лазерных установок ЛС‑6, ЛС‑4 и ЛС‑1, робота KUKA, сканера IPG 2D и технологического стола. Лазерное упрочнение производилось на образцах из стали 40Х, 40XH2MA с размерами 12 Ч 16 Ч 70, 10 Ч 60 Ч 180 мм. В качестве варьируемых параметров при эксперименте на лазере ЛС‑6 были избраны: расстояние от фокальной плоскости до рабочей зоны (в пределах 25–200 мм), мощность излучения (1000–2000 Вт), скорость перемещения луча (10–20 мм/с). В эксперименте на волоконных лазерах ЛС‑1, ЛС- 4 при обработке стали 40XH2MA с использованием сканирующих устройств были выбраны следующие условия: расстояние от фокальной плоскости 50–200 мм, шаг сканирования 50–1500 мкм, ширина зон обработки 15–25 и 50 мм, мощность излучения 1000 и 2000–4000 Вт. Металлографические исследования выполняли на микротвердомере DURASCAN‑70 при нагрузке 0,98 Н, микроскопе Olympus GX‑51.
Для определения задиростойкости упрочненных образцов была применена универсальная машина трения МТУ‑01. Испытания проводили по схеме плоскость (образец с лазерной закалкой или образец азотированной стали 40Х) – кольцо (контробразец сталь 40Х с объемной закалкой 52–54HRC). В качестве смазочного материала использовалось масло индустриальное И‑20. Удельное давление изменяли в пределах 1–4 МПа, скорость скольжения 0,5–4 м/с.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
При упрочнении стали 40Х на лазере ЛС‑6 круглым пятном получены дорожки закалки глубиной 0,6–1,2 мм шириной 3,5–5,5 мм в зависимости от расстояния от фокальной плоскости. Лазерная закалка при расстоянии от фокальной плоскости менее 40 мм приводит к кинжальному проплавлению материала основы на глубину 2–4 мм. Микротвердость зон закалки изменялась в пределах 6240–7280 МПа. Для мощности излучения 1000 и 2000 Вт найдены режимы закалки без оплавления поверхности образцов при дефокусировке на 75 и 100 мм и скорости перемещения луча 10 и 20 мм/с соответственно.
При лазерной закалке образцов стали 40XH2MA в импульсном режиме при мощности излучения 1000 Вт и ширине зоны закалки 15–25 мм получены зоны упрочнения с глубиной слоя 0,2–2000 мкм. Микротвердость измеряли по ширине и глубине закаленного слоя с шагом 100 и 200 мкм. На рис.1а,b представлены микрошлифы зон закалки стали 40XH2MA с глубиной закаленного слоя 1,118 мм при ширине зоны 15 мм. Микротвердость упрочненных зон составила 6410–7340 МПа или 56–60 HRC. Графики измерения микротвердости единичной дорожки закалки и с наложением дорожек представлены на рис.2 а,b.
Лазерное упрочнение образцов стали 40XH2MA на установке ЛС–4 проводилось с целью дальнейшего увеличения ширины и глубины зоны закалки. При мощности излучения 2000 Вт получены дорожки закалки с шиной 50 и глубиной 0,2–2,0 мм. Увеличение мощности до 4000 Вт позволило получить слои с глубиной закалки до 2,5 мм при той же ширине обработанной зоны. На рис.3 представлен микрошлиф дорожки закалки стали 40XH2MA.
Проведенные испытания образцов показали повышение износостойкости и задиростойкости в 1,5–2 раза по сравнению с азотированными образцами стали 40Х2НМА.
Разработанная технология широкополосной лазерной закалки лучом волоконного лазера при использовании сканеров IPG 2D позволит расширить номенклатуру деталей. Ширина зоны упрочнения 15–50 мм за один проход позволяет обрабатывать посадочные места шеек валов различных механизмов и машин под подшипники качения и скольжения. Кроме того, эта технология может быть использована для упрочнения гибочных и других штампов при глубине упрочненного слоя 2,5 мм.
ВЫВОДЫ
Для деталей, работающих в условиях ограниченной смазки или без использования смазочного материала, разработана технология лазерного упрочнения на основе использования волоконных лазеров и 2D-сканеров с шириной закаленных слоев 15–50 мм при глубине зоны 0,2–2,5 мм.
Для образцов стали 40Х2НМА износостойкость и задиростойкость зон, упрочненных волоконным лазером, оказалась в 1,5–2,0 раза выше, чем для образцов, прошедших азотирование.
ЛИТЕРАТУРА
1. Справочник по лазерной сварке / Под ред. С. Катояма. – М.: ТЕХНОСФЕРА, 2015.
2. Бирюков В. П. Расчетно-экспериментальное определение параметров упрочненных зон при лазерной закалке чугунов и сталей. – ФОТОНИКА, 2017, № 2.
3. Lakhkar R. S., Shin Y. C., Krane J. M. Predictive modeling of multi-track laser hardening of AISI 4140 steel. – Materials Science and Engineering, 2008, A 480, p.209–217.
4. Sridhar K., Katkar V. A., Singh P. K, Haake J. M. Dry sliding friction wear behaviour of high power diode laser hardened steels and cast iron. – J. Surface Engineering, 2007, v.23, № 2, p.129–141.
5. Иванов Ю. А., Ивашов Г. П., Пикунов А. С., Сафонов А. Н. Особенности лазерной закалки стальных и чугунных изделий в условиях сканирования. – Физика и химия обработки материалов, 1987, № 4, с. 50–54.
Отзывы читателей
