Таблица 4. Содержание элементов в неметаллических включениях образцов из стали 20ГМЛ

Видно, что содержание серы в неметаллических включениях выросло. Встречаются включения, где содержание S достигает 7,2 % и выше - до 19,1 %. Значительно выросло содержание Mo и Al, а количество Fe уменьшилось. Нужно отметить, что химический состав включений в ЗЛВ неодинаков. Поэтому в приведенной таблице имеется большой разброс в содержании некоторых элементов. В изменении химического состава не наблюдается закономерностей. Включения с повышенным (или пониженным) содержанием какого-либо элемента могут находиться как по центру ЗЛВ, так и ближе к поверхности или к основному металлу. Размер включений позволяет сказать не точно, а с большой долей уверенности, что в ЗЛВ кроме оксисульфидов присутствуют включения нитридов алюминия.

Вместе с тем, проведенные исследования показали, что общее количество серы в ЗЛВ уменьшилось (особенно в зоне оплавления). Общий химический состав, определенный по площади размером 1515 мкм, показывает, что содержание S в основном металле (0,03 %) снижается до значения, менее 0,01 % в зоне термического воздействия.

Суммарное количество включений в основном металле стали 20ГМЛ составляет 0,59 %. В ЗЛВ количество включений уменьшается более, чем на два порядка и равняется 0,0017 %. Такое количество неметаллических включений содержится в сталях, выплавленных специальными способами с последующим рафинированием.

Значение 0,0017 % получено для неметаллических включений, расположенных по всей ЗЛВ. В слоях, обогащенных включениями, их содержание равно примерно 0,01 %. В слоях чистого металла прибором не было зарегистрировано каких-либо включений.

При обработке стали непрерывным СО₂-лазером основными неметаллическими включениями являются также комплексные оксисульфиды химический состав, форма и размеры которых идентичны включениям, образующимся под воздействием импульсного излучения. Однако характер распределения в этом случае иной. В зоне оплавления наблюдается чистая область с содержанием включений около 0,001 %. В зоне закалки из твердого состояния включения расположены равномерно, общее содержание их находятся в пределах 0,002 %.

Нужно отметить, что такой состав, морфология и распределение неметаллических включений характерен и для других исследуемых углеродистых нелегированных сталей - конструкционной 35Л и инструментальной У8.

Таким образом, лазерная обработка с оплавлением поверхности приводит к удалению из ЗЛВ крупных неметаллических включений, являющихся концентраторами напряжений при эксплуатации, формированию и перераспределению новых дисперсных включений глобулярной формы. Воздействие лазерного излучения позволяет получить слой металла по неметаллическим включениям соответствующий сталям, полученным специальными способами с последующей обработкой.

Пятая глава посвящена рассмотрению принципов выбора технологических режимов лазерной обработки деталей из железоуглеродистых сплавов как многоплановой задачи, решение которой должно учитывать все многообразие явлений, сопровождающих формирование требуемой структуры в рабочем поверхностном слое и получение необходимых эксплуатационных свойств изделия.

Используя положения, рассмотренные в настоящей работе, определяем основные показатели качества поверхностного слоя, являющиеся определяющими для повышения эксплуатационных свойств изделий после лазерной обработки. Для этого необходимо решать разные задачи, которые можно свести к двум основным. Первая задача - при известных материале и размерах детали определяют их точность и параметры состояния поверхностного слоя. Эта задача имеет место в том случае, если для изготовления детали используется какой-либо конкретный материал и его замена на другой невозможна по соображениям требований к материалу изделия или его себестоимости. Вторая задача выбора параметров состояния поверхностного слоя должна быть решена, если в качестве заданных характеристик приводятся размеры детали и эксплуатационные свойства. Здесь необходимо определиться с выбором материала детали. Для этого следует воспользоваться методикой обработки изделий излучением лазера с различными энергетическими характеристиками, провоцирующими перенос легирующих элементов в зону лазерной обработки или во внутренние слои детали. В этом случае можно получить поверхностный слой, соответствующий легированному сплаву, на нелегированной основе и осуществить замену дорогостоящего высоколегированного материала на более доступный.

Решение первой задачи сводится к анализу влияния того или иного параметра качества поверхностного слоя на требуемое эксплуатационное свойство, если материал изделия задан, и можно только варьировать микротвердостью зоны лазерной обработки.

Более эффективной для решения основной задачи технологии машиностроения - обеспечения качества изделий при наименьшей их себестоимости - является выбор параметров качества по второму условию, когда по известным геометрическим размерам и эксплуатационным свойствам детали выбирают марку материала. В работе предложены структурные схемы выбора параметров состояния поверхностного слоя, обеспечивающих требуемые значения эксплуатационных свойств в заданных условиях (рис.3).

Рис.3. Структурные схемы выбора параметров состояния поверхностного слоя при лазерной обработке: А - условия работы детали; Б - эксплуатационные свойства; В - требуемые параметры качества поверхностного слоя; В1 - физико-механические характеристики; В11 - микротвердость; В12 - внутренние напряжения; В2 - геометрические параметры поверхностного слоя (макронеровности, волнистость, шероховатость); Г - материал детали; Д - химический состав поверхностного слоя до лазерной обработки; Е - химический состав поверхностного слоя после проведения лазерной обработки; Ж - микроструктура поверхностного слоя после проведения лазерной обработки; З - лазерная обработка детали с оплавлением или без оплавления поверхности

Последовательность выбора параметров состояния рабочих поверхностей при лазерной обработке детали по первому варианту по известным условиям работы детали определены требуемые эксплуатационные свойства, которые требуют назначения однозначно определенных параметров состояния поверхностного слоя и марки материала детали. Далее назначаются режимы лазерной обработки, которые обеспечат определенную микроструктуру и химический состав ЗЛВ. Эта последовательность является классической при лазерной обработке деталей.

Более эффективными можно считать другие предложенные в работе варианты (рис.3, схемы 2 и 3), так как они позволяют подойти к выбору материала изделия с точки зрения уменьшения его себестоимости при сохранении эксплуатационных свойств детали. Второй вариант (рис.3, схема 2) применяется, если после определения эксплуатационных свойств детали при известных условиях работы проводится анализ возможности изменения химического состава материала детали в зоне лазерной обработки. Предварительно изучаются свойства поверхностного слоя детали, если она будет изготовлена из более дорогого легированного сплава. Назначаются режимы лазерной обработки, обеспечивающие управляемое легирование поверхностного слоя из материала основы. При этом должны быть обеспечены геометрические и физико-механические параметры поверхностного слоя и получен определенный химический состав ЗЛВ, влияющий на микроструктуру зоны обработки.

Частным случаем второго варианта можно считать схему 3 (рис.3). Здесь выбор параметров лазерной обработки диктуется геометрическими характеристиками поверхностного слоя. Далее после изучения возможности замены материала на менее легированный добиваются получения определенной микроструктуры и микротвердости зоны лазерной обработки.

Проведено большое количество экспериментов по обработке сталей различных классов с целью доказательств теоретических положений, представленных в настоящей работе. Были проведены исследования зависимости распределения микротвердости по глубине ЗЛВ от режимов лазерной обработки, а также зависимости глубины ЗЛВ от энергетических параметров обработки.

Образцы из стали 20ГМЛ были обработаны импульсным излучением в широком диапазоне режимов. Скорость обработки изменялась от 30 до 200 мм/мин, плотность мощности - от 9^.10² до 5^.10⁵ Вт/см². Обработка проводилась при длительности импульса = 4 мс с частотой f = 1 Гц. Режимы с плотностью мощности до 6^.10³ Вт/см² обеспечивали обработку без оплавления поверхности и не приводили к изменениям в структуре и микротвердости. Обработка с плотностью мощности свыше 6^.10⁵ Вт/см² приводит к испарению металла с поверхности, что неприменимо при упрочнении поверхности. Из графика (рис.4) можно определить режим обработки с плотностью мощности излучения, обеспечивающей максимальное повышение микротвердости и глубину упрочненного слоя.

Как уже рассматривалось выше, лазерная обработка стали 20ГМЛ способствует перемещению легирующих элементов к поверхности детали или внутрь ее. В сочетании с эффектом лазерной закалки массоперенос молибдена и марганца может привести к значительному повышению физико-механических характеристик, а конкретно - микротвердости поверхностного слоя изделия.

Рис. 4. Изменение микротвердости по глубине образца при лазерной обработке стали 20ГМЛ.

На рис.5 показана аналогичная зависимость, полученная при обработке образцов из стали 35Л импульсным лазерным излучением. Обработка велась на скорости 45 мм/мин при длительности импульса = 4 мс с частотой f = 1 Гц. Обработка с плотностью мощности q = 10³ Вт/см² не давала оплавления поверхности, при q > 10³ Вт/см² оплавление имело место, а при q > 10⁶ Вт/см² наблюдалась эрозия.

Рис. 5. Изменение микротвердости по глубине образца при лазерной обработке стали 35Л.

Наибольшее упрочнение у стали 20ГМЛ и стали 35Л имеет место при обработке с оплавлением поверхности. Получение высокой микротвердости поверхности у малоуглеродистой стали 20ГМЛ происходит в узком диапазоне плотностей мощности при обработке с оплавлением поверхности, а у среднеуглеродистой стали 35Л увеличение микротвердости незначительно после достижения плотностей мощности порядка 2^.10⁵ Вт/см². Глубина упрочненного слоя и всей ЗЛВ у стали 20ГМЛ больше, чем у стали 35Л.

В состав стали 35Л входит до 0,9 % Mn, т.е. такое количество Mn сравнимо с содержанием его в стали 20ГМЛ. Обрабатывая образец из стали 35Л по режиму, совпадающему с облучением, обеспечивающим максимальный перенос этого элемента в поверхностный слой стали 20ГМЛ, получаем максимальную микротвердость зоны переплава. Очевидно, что при обработке стали 35Л также, как и в стали 20ГМЛ, происходят процессы массопереноса Mn, что, наряду с получением закалочных структур, способствует повышению микротвердости поверхности.

Образцы из быстрорежущей стали Р6М5 были обработаны импульсным лазерным излучением на установке "Квант-15" с оплавлением и без оплавления поверхности.

Анализируя графики распределения микротвердости по глубине ЗЛВ (рис.6), можно сказать, что зона отпуска во многих случаях не наблюдается, зато образуется еще одна зона, микротвердость которой выше микротвердости основы, но ниже зоны закалки из твердого состояния.

Рис. 6. Изменение микротвердости по глубине образца при лазерной обработке стали Р6М5.

При обработке с оплавлением поверхности были получены следующие результаты. Зона оплавления имеет низкую микротвердость, которая резко повышается при переходе к зоне закалки из твердого состояния. Наилучший результат с точки зрения упрочнения поверхности дает обработка без оплавления поверхности. Зона оптимальной обработки находится в очень узком интервале плотностей мощности и для лучшей обработки изделий необходимо точно выдерживать режимы. При обработке по режиму с плотностью мощности из этого интервала имеет место максимальное перемещение тугоплавких легирующих элементов W и Mo в рабочий поверхностный слой, что обеспечивает формирование новых карбидов, увеличивающих его микротвердость, а также красностойкость материала.

Результаты механических испытаний обработанных материалов доказали перспективность использования лазерной обработки с режимами, обеспечивающими требуемое перераспределение легирующих элементов. Для назначения технологических параметров лазерной обработки необходимо пользоваться целым комплексом исходных данных.

Как было показано выше, лазерное упрочнение железоуглеродистых сплавов приводит к концентрационным неоднородностям, выражающимся в повышенном (пониженном) содержании легирующих элементов в ЗЛВ. Основными параметрами лазерного излучения, влияющими на характер перераспределения лазерного излучения, являются длительность импульса и плотность мощности. Значительное влияние на этот показатель оказывает класс обрабатываемого материала, а конкретно то, в каком состоянии находятся легирующие элементы в сплаве. Поэтому для корректного описания зависимости параметров качества поверхностного слоя железоуглеродистых сплавов от технологических режимов лазерного излучения необходимо знать большое число составляющих обработки.

Во-первых, нужно точно знать марку и химический состав материала обрабатываемого изделия. При изучении исходной структуры материала первоначальное внимание нужно уделить химическому составу и расположению неметаллических включений, а также определить роль этих включений в сплаве. Это необходимо для того, чтобы предложить ожидаемый характер трансформации неметаллических включений после лазерной обработки с целью получения заданных эксплуатационных характеристик.

Во-вторых, необходимо знать требования к эксплуатационным свойствам рабочих поверхностных слоев деталей, изготовленных из предложенного материала, и условия их работы. Это необходимо для определения элементов, которые должны перемещаться по направлению к поверхности. Карбидообразующие элементы повышают твердость и износостойкость поверхностного слоя. Элементы, способствующие расширению области существования -Fe, повышают вероятность появления в ЗЛВ стали структуры мартенсита, что важно для повышения износостойкости детали, не испытывающей динамической нагрузки. Для повышения износостойкости деталей, работающих в условиях циклического или динамического нагружения, необходимо добиться перемещения в рабочий поверхностный слой элементов, расширяющих область существования -Fe, что приводит к получению структуры закалки, состоящей из аустенита и мартенсита.

В-третьих, нужно объективно оценить отражающую способность поверхности обрабатываемого изделия для определения коэффициента поглощения лазерного излучения, что необходимо для назначения его энергетических параметров.

В-четвертых, должны быть известны требования к шероховатости поверхности после лазерной обработки. Это - обязательное условие для выбора режимов обработки, а конкретно - для назначения обработки с оплавлением или без оплавления поверхности.

В-пятых, необходимо знать форму обрабатываемой детали в целом, а также геометрические параметры непосредственно участка, требующего упрочнения. Это необходимо для определения условий самозакалки, а также размещения детали на рабочем столе лазерной установки и условий подвода лазерного излучения на необходимый участок поверхности.

После изучения этих характеристик следует приступить к назначению режимов лазерной обработки. Причем выбор параметров лазерного излучения необходимо осуществлять после анализа всей совокупности рассмотренных характеристик, не отделяя какое-либо качество от остальных.

Для прогноза получения свойств поверхностного слоя после лазерной обработки необходимо принимать во внимание данные распределения микротвердости, перераспределения легирующих элементов и трансформации неметаллических включений в ЗЛВ. Эти параметры являются основными для получения требуемых эксплуатационных показателей изделия.

В шестой главе приведены конкретные примеры практического применения лазерной обработки деталей машин с целью повышения их эксплуатационных характеристик с режимами, обеспечивающими изменение химического состава материала деталей путем управляемого легирования поверхностного слоя.

Назначение каждого режима лазерной обработки носит комплексный характер. Изменение одного из принятых режимов обязательно должно привести к изменению других. Поэтому задачу назначения режимов лазерной обработки следует вести после анализа всех рассмотренных ранее факторов.

Структурная схема оптимизационного алгоритма выбора технологических режимов лазерной обработки, основывающегося на выявленном механизме массопереноса элементов при воздействии лазерного излучения на поверхность детали, показана на рис.7.

Учитывая многообразие входных условий (конструктивные размеры детали, геометрические особенности зоны обработки, марка материала, состояние обрабатываемой поверхности, состав неметаллических включений, структура металла и т.д.), а также изменяемых в зависимости от обрабатываемого материала свойств обработанной поверхности (распределение элементов в ЗЛВ, поверхностная микротвердость, формируемая структура, шероховатость поверхности и др.), для корректного практического применения предложенного алгоритма целесообразно автоматизировать выбор режимов лазерного излучения. Основная роль при этом отводится технологу, так как от его профессионального уровня зависит окончательный выбор режимов обработки, что в итоге скажется на качестве обработанной детали.

Рис. 7. Структурная схема оптимизационного алгоритма выбора технологических параметров лазерной обработки

Схема автоматизированного назначения режимов лазерного упрочнения приведена на рис.8. Работа специалиста начинается с подготовки исходных данных (блок 2), после чего в автоматизированном режиме происходит их анализ и генерируются (при необходимости) рекомендации по повышению коэффициента поглощения обрабатываемой поверхностью лазерного излучения (блок 3). Технолог, выступая в роли эксперта, может принять их или проигнорировать.

Блоки 4 и 5 позволяют проанализировать возможности использования процесса массопереноса легирующих элементов в поверхностном слое под воздействием лазерного излучения для повышения эксплуатационных свойств рассматриваемой детали и сформировать несколько вариантов реализации технологии лазерного упрочнения, которые могут быть последовательно просмотрены специалистом. После выбора одного варианта технологии из предложенных (блок 6) происходит назначение режимов обработки (блок 7) и нормирование операций (блок 8) с целью определения трудоемкости, расхода вспомогательных материалов и энергоресурсов.

Следует отметить важное значение на этом этапе базы данных технологий поверхностной лазерной обработки (блок 14), которая, с одной стороны, используется как источник информации нормативно-справочного характера, а с другой, позволяет систематически пополнять информационный массив результатами практического применения автоматизированной системы для конкретных деталей.

На этапе анализа экономической эффективности применения выбранной технологии лазерного упрочнения (блок 9) выполняется оценка целесообразности применения полученного технологического решения как в сфере производства (в масштабах производственного подразделения предприятия и предполагаемой загрузки технологического оборудования соответствующими деталями), так и в сфере эксплуатации упрочненной детали. При положительном заключении формируется необходимая технологическая документация (блок 11), в противном случае специалисту предоставляется возможность внести изменения в условия обработки (блок 13) или вернуться к одному из ранее отклоненных вариантов (блок 6).

Предложенный алгоритм выбора режимов лазерной обработки реализован программно и методически. Практическое использование соответствующей автоматизированной системы осуществлено применительно к функциональным поверхностям металлорежущего и штампового инструмента, ковшей пескометной машины, зубил пневмомолотка, роликов и трубчатых направляющих подвесного конвейера.

Для назначения режимов лазерной обработки металлорежущего инструмента, изготовленного из стали Р6М5 следует использовать следующие данные. Высокую твердость и износостойкость поверхности придают карбиды. Основными карбидообразующими элементами являются вольфрам и молибден. Таким образом, для выбора режима обработки нужно руководствоваться тем, чтобы карбидная сетка не была разрушена, а по возможности количество карбидов следует увеличить, например, за счет повышения их дисперсности, что можно достигнуть увеличением количества основных карбидообразующих элементов в верхней части ЗЛВ.

Кроме износостойкости к параметрам, определяющим эксплуатационные свойства металлорежущего инструмента, следует отнести высокую прочность и малый коэффициент трения в паре с обрабатываемой деталью. Прочность определяется свойствами материала. Снижение коэффициента трения можно получить при образовании на поверхности оксидной пленки. Для этого следует производить лазерную обработку на воздухе без защитной среды.

Поверхность режущего инструмента качественно обработана механически, т.е. имеет низкую шероховатость (Ra 0,2…0,4) и высокую отражательную способность. Для обработки необходимо воспользоваться покрытиями, увеличивающими коэффициент поглощения излучения, которое не должно диффундировать в поверхностный слой инструмента. В качестве покрытия следует использовать темную гуашь. Чтобы не изменить шероховатость поверхности нужно назначить режим без оплавления. Для этого нужно воспользоваться результатами, приведенными на рис.6. Для снижения энергетических характеристик обработки и захвата большей площади поверхности инструмента необходимо использовать расфокусированное излучение. Для повышения производительности обработки время контакта излучения с поверхностью должно быть минимальным. Поэтому обработка должна производиться с высокой скоростью.

Суммируя сказанное, были назначены режимы импульсной лазерной обработки: обработка на открытом воздухе расфокусированным излучением (диаметр пятна на плоскости обработки 2,5…3 мм) с плотностью мощности 8^.10³ Вт/см², длительностью импульса _и = 4 мс, скоростью обработки 200…300 мм/мин и частотой следования импульсов 1 Гц.

Обработке были подвергнуты сверла спиральные, зенкера, развертки, фрезы пальцевые, дисковые трехсторонние и модульные, цилиндрические, червячные модульные, долбяки, пуансоны, комбинированный инструмент различного типоразмера.

Упрочнение пуансонов производили по боковым поверхностям, потому что при этом возможна многократная переточка. При упрочнении по передней поверхности после очередной переточки кромки требовалась бы повторная лазерная обработка. Наибольшую стойкость при обработке фрез и долбяков обеспечила схема, при которой облучению подвергались одновременно передняя и задняя поверхности. При упрочнении сверл, зенкеров и разверток лазерному упрочнению подвергалась передняя поверхность, что позволяло производить последующие многократные переточки без дополнительной лазерной обработки.

Промышленные испытания показали, что стойкость всех инструментов увеличилась в среднем в 2,5…4 раза.

Лазерная обработка позволяет заменить дорогостоящие высоколегированные стали на доступные конструкционные. Так, на Цимлянском судомеханическом заводе ковши пескометной машины изготовляли из стали 110Г13. Разработанная технология лазерного упрочнения позволила осуществить замену этой стали на сталь 35Л. Для этого был подобран режим лазерного упрочнения, обеспечивающий максимальный перенос Mn в поверхностный слой изделия из стали 35Л. Поверхности, подвергаемые наибольшему износу были обработаны по следующему режиму - работа сфокусированным импульсным излучением с энергией в импульсе Е = 12 Дж при плотности мощности q = 5^.10⁵ Вт/см². Поскольку известно, что включения графита повышают износостойкость при трении, так как выполняют роль смазки, то на обрабатываемые поверхности был нанесен слой порошкообразного графита. Кроме того, графит повышал коэффициент поглощения лазерного излучения. Примененная обработка с оплавлением поверхности привела к проникновению графита в рабочие слои изделия.

Промышленные испытания показали, что внедрение лазерной обработки для повышения износостойкости ковшей пескометной машины приводит к значительному увеличению срока их эксплуатации. Срок службы ковшей пескометной машины можно увеличить примерно в 10 раз по сравнению с необработанными ковшами из этой же стали (сталь 35Л) и в 5…6 раз по сравнению с изделиями из высокомарганцовистой износостойкой стали 110Г13.

Замену дорогостоящей легированной стали на конструкционную удалось осуществить при внедрении лазерной технологии на ООО "Конвейер" г. Брянск. Используя предложенную методику и проведя аналогичные рассуждения, было предложено заменить легированную сталь 35ХГСА, из которой были изготовлены ролики и трубчатые направляющие, на конструкционную сталь 35Л, обработанную лазером. Лазером были обработаны образующие трубчатых направляющих и кольца контакта на боковых поверхностях ролика с направляющими. После стендовых испытаний стойкость обработанных деталей из стали 35Л оказалась в 4 раза выше стойкости необработанных лазером изделий, изготовленных из стали 35ХГСА.

Для упрочнения опорных поверхностей зубила, изготовленного из стали У8, применяемых для крепления зубила в патроне пневмомолотка, была разработана технология лазерного упрочнения, обеспечившая высокую твердость рабочих поверхностных слоев для сопротивления истиранию в сочетании с вязкой сердцевиной для сопротивления динамическим нагрузкам. Переходя к структурам - была получена структура мартенсита на поверхности и аустенита в ЗЛВ. Это можно обеспечить, произведя лазерную обработку по режиму, обеспечивающему перенос Mn в поверхностный слой ЗЛВ. Обработка проводилась сфокусированным излучением с плотностью мощности излучения 5^.10⁵ Вт/см², скоростью обработки 100 мм/мин, длительностью импульса 4 мс.

Режимы лазерной обработки были подобраны так, чтобы устранить негативное действие неметаллических включений. Это было достигнуто лазерной обработкой на жестких режимах с оплавлением поверхности, когда происходит разрушение крупных неметаллических включений и включений остроугольной формы. При этом образуются глобулярные неметаллические включения мелких размеров со значительно уменьшенным количеством неметаллической составляющей в них. К поверхностям торца и бурта не предъявляются высокие требования по шероховатости поверхности. Поэтому лазерная обработка с оплавлением поверхности может иметь место. Стойкость зубила при этом увеличилась примерно в 3 раза (6…6,5 часов непрерывной работы).

Общие выводы и результаты