Лазерное термоупрочнение

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лазерное термоупрочнение

лазерный термоупрочнение закалка

Термическое упрочнение материалов и сплавов лазерным излучением основано на локальном нагреве участка поверхности под воздействием излучения и последующем охлаждении этого поверхностного участка со сверхкритической скоростью в результате теплоотвода теплоты во внутренние слои металла. При этом время нагрева и время охлаждения незначительны, практически отсутствуют выдержка при температуре нагрева. Эти условия обеспечивают высокие скорости нагрева и охлаждения обрабатываемых поверхностных участков.

Технологический процесс лазерного термоупрочнения определяется следующими входными параметрами и характеристиками:

Входные параметры:

мощность излучения;

диаметр пятна фокусирования Dп;

время облучения или скорость обработки т.е. скорость перемещения пятна по детали Vп;

распределение мощности по облучаемой поверхности (в пятне).

Характеристики в зоне лазерного воздействия на металл:

температура нагрева ТН;

скорость нагрева VН;

время нагрева tН;

скорость охлаждения VО;

термический цикл Tц = 0,3…0,5с.

Особенности технологии лазерного термоупрочнения выгодно отличаются от других методов закалки:

Соотношение «цена-качество». Радикальное, в 2-5 раз, т.е. на 200-500 %, повышение износостойкости упрочняемых на глубину до 0,8-1,5 мм поверхностей и срока службы деталей достигается ценой упрочнения, не превышающей 15-20% стоимости неупрочненных деталей;

В отличие от известных процессов термоупрочнения: объемной закалкой, токами высокой частоты, электронагревом, закалкой из расплава и другими способами нагрев при лазерной закалке является не объемным, а локальным, поверхностным процессом, что исключает изменение как макро так и микрогеометрии обрабатываемых деталей;

Упрочнение лучом лазера осуществляется без оплавления поверхности - это исключает изменение шероховатости и необходимость в последующей механообработке (шлифовка, полировка и т.д);

Термический цикл, при лазерном упрочнении по выше перечисленным характеристикам, самый быстрый по сравнению с термическими циклами всех остальных существующих методов закалки и составляет 0,3…0,5 с. Эти условия обеспечивают высокие скорости нагрева и охлаждения обрабатываемых поверхностных участков в результате чего достигаются высокая твердость поверхности, высокая дисперсность и однородность структуры, уменьшение коэффициента трения, увеличение несущей способности поверхностных слоев и другие параметры;

Высокая производительность данной технологии характеризуется автоматизацией процесса лазерного термоупрочнения и исключением необходимости термообработки всей детали, а лишь локальных участков подверженных износу;

отсутствие проблем прочности связи (адгезии) упрочненного слоя с основной массой детали, как, например, при использовании технологии напыления;

Возможность упрочнения поверхностей любой сложности и геометрии благодаря современному лазерному технологическому оборудованию;

Возможность упрочнения и модифицирования поверхностей широчайшей номенклатуры материалов с повышением их эксплуатационных характеристик, что позволяет во многих случаях заменять дорогостоящие, сложнолегированные материалы, используемые часто с целью обеспечения необходимой износостойкости поверхностей, на более простые, дешевые и доступные с приданием им нужных эксплуатационных характеристик.

Области применения технологии лазерного термоупрочнения:

в системе железнодорожного транспорта - это быстроизнашивающиеся поверхности надрессорных балок, боковых рам, колесных пар, автосцепок, различных валов и т.д.;

в металлургии - поверхности прокатных валов разных типоразмеров, фильер, крупногабаритных нагруженных зубчатых колес и т.д.; в машиностроении и в станкостроении - трущиеся поверхности направляющих станков и прессов, ходовых винтов и шлицевых валов, посадочных мест ступенчатых валов, поверхности трения муфт, штоков, рычагов, деталей насосов и т.д.;

в сфере нефтегазодобычи и геологоразведки - поверхности резьбовых соединений труб, рабочих органов (коронок) буровых установок, деталей погружных насосов и т.д.;

в инструментальном производстве - режущие кромки вырубных штампов, особенно крупногабаритных дорогостоящих с длительным циклом изготовления, поверхности штампов объемной холодной и горячей штамповки, режущих инструментов, ножей гильотинных и т.д.;

в моторостроении (особенно мощных двигателей для судов и локомотивов) - поверхности шеек коленчатых валов, распредвалов, седел клапанов, гильз цилиндров и т.д.;

в сфере производства, ремонта и эксплуатации дорожно-строительной техники - износостойкость и ресурс деталей гидроаппаратуры, ножей грейдерных и бульдозерных, бил роторов для дробления щебня, звездочек и натяжных колес гусеничных экскаваторов и тракторов, зубьев ковшей экскаваторов и т.д.;

в стеклотарной отрасли - кромки и поверхности форм для литья стеклотары;

в производстве газотурбинных двигателей - это поверхности лопаток и других быстроизнашивающихся деталей;

в сфере производства, ремонта и эксплуатации сельскохозяйственной техники - это рабочие органы почвообрабатывающей техники (плужиых лемехов, дисков борон, ножей культиваторов и т.д.);

в оборонной промышленности, в частности, ресурс стволов артиллерийских установок;

в сфере производства подшипников разных типоразмеров (прежде всего, крупных и особо крупных) для различных отраслей и условий эксплуатации и т.д.

Лазерное термоупрочнение деталей осуществляется на нашем современном технологическом оборудовании собственной разработки - АЛТКУ-3.

Автоматизированный лазерный технологический комплекс для термоупрочнения поверхностей деталей АЛТКУ-3.

Автоматизированные лазерные технологические комплексы серии АЛТКУ-3 предназначены для радикального, в 2-5 раз, т.е. на 200-500%, повышения износостойкости упрочняемых на глубину до 0,8-1,5 мм поверхностей и срока службы деталей, причем цена упрочнения не превышает 15-20% стоимости неупрочненных деталей.

Комплексы предназначены для эксплуатации в производственных условиях как машиностроительных, металлургических, моторостроительных, ремонтных и других крупных предприятий, так и отдельных самостоятельных малых предприятий - лазерных центров.

Принципиально важными отличительными особенностями этих комплексов и технологии с их использованием являются:

1. Специально сформированное распределение плотности мощности лазерного излучения в пятне воздействия на обрабатываемую поверхность, обеспечивающее равномерный и стабильный тепловвод в зону обработки при любом направлении движения луча по поверхности и, соответственно, максимально равномерное и стабильное качество упрочненного слоя без оплавления поверхности.

Схема сечения дорожки упрочнения

Схема сечения дорожек упрочнения с перекрытием

2. Возможность радикального повышения износостойкости поверхности за счет необходимых структурно-фазовых изменений поверхностного слоя без его оплавления, без необходимости специальных подготовительных и заключительных доводочных операций.

3. Возможность многокоординатного манипулирования лучом по программе и дополнительного манипулирования обрабатываемой деталью, обеспечивающая широчайшие технологические возможности обработки любых сложных поверхностей объемных деталей.

Технические характеристики АЛТКУ-3

Примеры применения технологии лазерного термоупрочнения на АЛТКУ-3.

Рис. 1 Процесс упрочнения эвольвенты зубьев ведущего вала-шестерни. Сталь 38ХНЗМФА. Твердость после упрочнения 56-59HRC. (вес - 2,5т)

Рис. 2 Процесс упрочнения рабочей кромки упора подвижного к муфте пусковой предохранительной погружного насоса для нефтедобычи. Сталь 45 Твердость упрочненной кромки 59 - 62 HRC

Рис. 3 Процесс упрочнения смесителя фракций гранитного щебня. Сталь 20. Твердость после упрочнения 39-42 HRC

Рис. 4 Процесс упрочнения зубчатого колеса. Сталь 40ХН3А. Твердость рабочеповерхности зубьев после упрочнения 59 - 61 HRC

Рис. 5 Процесс упрочнения днища бункера

Рис. 6 Упрочнение матрицы штампа вытяжного для ободов автомобильных колес. сталь 9Х1. Твердость после упрочнения 55 - 60 HRC

Рис. 7 Примеры лазерного упрочнения кромок и формообразующих поверхностей пресс-форм. Чугун низколегированный. Твердость упрочнения 52 - 56 HRC. Глубина упрочнения 1,1 - 1,3 мм

Рис. 7а Примеры лазерного упрочнения кромок и формообразующих поверхностей пресс-форм. Чугун низколегированный. Твердость упрочнения 52 - 56 HRC. Глубина упрочнения 1,1 - 1,3 мм

Рис. 7б Полуформа чистовая для литья стеклотары. Чугун низколегированный. Твердость рабочей кромки после упрочнения 53 - 57 HRC

Рис. 7в Детали формоснастки для стеклотары. 1) матрица вырубного штампа (сталь Х12МФ); 2) матрица вырубного штампа (сталь Х12М); 3) матрица вырубного штампа (сталь 4Х5МФС); 4)пуансон(Х12М)

Рис. 7г Детали формооснастки. 1) полуформа чистовая; 2) кольцо; горловое; 3) поддон; 4) плунжер; 5) головка прессующая

Рис. 8 а) микроструктура и б) график твердость кромки чугунной пресс-формы для литья стеклотары, упрочненной лазерным лучом

Рис. 9 Резец петлевой для обработки фарфоровой массы. Сталь 9ХС. Твердость упрочненной режушей кромки 59 - 63 HRC

Рис. 10 Внутреннее и наружное кольцо роликового подшипника. Материал - сталь ШХ15СГ. Твердость после упрочнения 62-63 HRC

Рис. 11 Нож для рубки стекловолокна. Сталь 40Х13. Твердость упрочненной режущей кромки 55 - 57 HRC

Рис. 12 Нож для рубки стекловолокна. Сталь 40Х13. Твердость упрочненной режущей кромки 55 - 57 HRC

Рис. 13 Детали запорного механизма нефтепроводов - Седло. сталь 40Х13. Твердость упрочнения 54 - 57 HRC

Рис. 14 Упрочненные компрессорные лопатки газотурбинных двигателей. Титановый сплав ВТ-6. Твердость упрочнения 52 - 54 HRC

Размещено на Allbest.ru