Зміцнення когерентним випромінюванням прецизійних деталей гідромашин та гідроагрегатів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Зміцнення когерентним випромінюванням прецизійних деталей гідромашин та гідроагрегатів

О. П. Шиліна., к.т.н.; В.І. Савуляк д.т.н.; О.В. Андрійчук

Вінницький національний технічний унівеситет

В работе проведены исследования по использованию лазерной термообработки чугунов, в результате показано, что чугуны с мелкими включениями графита имеют качественно лучшие показатели микротвердости, глубины проплавления и ширину ванны закаливания, в сравнении с образцами с крупными включениями графита. Достигается оптимальная объемная структура при которой поддерживается так называемый принцип Шарпи.

Researches on the use of laser heat treatment of cast-irons are conducted in work, it is shown as a result, that cast-irons with the shallow inclusions of graphite have high-quality the best indexes of hardness, depths of melting and width of bath of tempering, by comparison to standards with the large inclusions of graphite. The arriving optimum by volume structure at which it is supported is the so-called principle Sharpy.

Сучасне виробництво ставить високі вимоги до підвищення ресурсу та надійності роботи прецизійних деталей. Покращення цих характеристик можливе за умови використання відповідних методів зміцнення поверхневого шару.

Зміцнення поверхні методом поверхневого переплавлення (МПП) - один із перспективних, але мало вивчених методів зміцнення поверхні залізовуглецевих сплавів, що дозволяє підвищити їх поверхневу твердість та зносостійкість.

Зміцнення поверхні МПП - фізичне явище, що включає нагрів поверхневого шару матеріалу до температури вище точки плавлення та поступове охолодження за рахунок теплопровідності холодної середини.

Перші досліди механізму процесів, що проходять під час зміцнення МПП, були проведені на початку 70-х років[1]. Нагрівання здійснювалося безперервним випромінюванням CO2 лазером потужністю 0,7 кВт. При щільності потужності 5?104-105 Вт/см2, швидкості від 0,1 до 5 м/хв., діаметр плями 0,7-1 мм отримано зміцнений шар глибиною 300 мкм ( з глибиною переплаву 30-40 мкм). Твердість зміцненого шару HRCэ67 із високою зносостійкістю поверхні значно залежала від навантаження: при невеликих та середніх навантаженнях зносостійкість зміцненої поверхні вище зносостійкості вихідного шару матеріалу в 5-6 разів, а при великих навантаженнях зносостійкість зміцненого зразка практично не відрізнялась від зносостійкості вихідного зразка.

Це пояснюється малою товщиною зміцненого шару.

В наш час при зміцнені поверхні МПП можливе отримання переплавленого шару глибиною від 0,5 до 1,0 мм при зміцнені сталі та від 1,0 до 1,5 мм при зміцнені чавуні. При такій товщині зносостійкість поверхні значно вище зносостійкості вихідного матеріалу.

Головною перевагою лазерів є можливість отримання в безперервному режимі, практично в будь-яких середовищах найвищої щільності потужності. Можливість контролю потужності випромінювання та гарне фокусування пучка дозволяє забезпечити локальний нагрів у важкодоступних місцях, та при цьому виключити або звести до мінімуму просторові деформації, що вкрай важливо при зміцненні деталей гідромашин та гідроагрегатів.

В порівнянні з лазерним способом нагрівання, електродуговий, плазмовий і індукційний способи є більш дешевими за рахунок ціни устаткування. Однак вони мають рядом недоліків, що обмежують або навіть виключають можливість їх застосування для зміцнення ряду деталей[2].

Дослідження зміцнення сірого чавуну методом індукційного поверхневого переплавлення (МІПП) не дало позитивних результатів[2]. Зміцнений шар мав глибину 0,8 мм з великою кількістю мікротріщин. Для виключення тріщин на поверхню деталі перед обробкою наносили шар карбонільного заліза , за рахунок чого змінилась структура переплавленого шару і знизились його механічні характеристики. Крім того, виникла усадка матеріалу в межах 0,1-0,15 мм.

Після порівнювання лазерного і плазмового поверхневого гартування матеріалів без оплавлення поверхні можна робити висновки щодо промислового зміцнення поверхні методом плазмового поверхневого переплавлення (МППП). Потрібно відмітити, що при плазмовому нагріванні виникають значні термічні деформації. Так при зміцненні смуги 30?80?1500 мм з однобічним гартуванням грані шириною 80 мм без оплавлення поверхні, прогин склав 6-8 мм .

Очевидно, при зміцнені деталі з переплавленням поверхні, термічні деформації значно зростають за рахунок збільшення потужності джерела тепла та збільшення часу дії його на поверхню, що зміцнюється[3].

Поряд зі значною кількістю виконаних робіт по лазерному гартуванню сталей, великий інтерес представляє лазерне зміцнення поверхні чавунів. Опромінення лазерним імпульсом білих чавунів дозволило вперше здійснити розплав цементиту Fe3С. В звичайних умовах ця метастабільна сполука розпадається на залізо та вуглець задовго до досягнення температури плавлення.

Використання лазерної техніки дозволило досягти гранично високих швидкостей нагріву і охолодження при роботі в імпульсному режимі (біля 1 млн. °/с і більше). Саме це дозволило здійснити розплавлення цементиту за такий короткий час, при якому його розпад і виділення графіту не встигає пройти.

Найбільш характерними параметрами випромінювання ОКГ, управління якими дає можливість отримувати певний ефект, є такі:

1. Потужність випромінювання ОКГ безперервної дії або енергія під час випромінювання та під час імпульсу для приладів, що працюють в імпульсному режимі;

Довжина хвилі випромінювання;

Щільність потоку променів;

Зміна положення променя в часі.

Вибір типу та конструкції лазеру перш за все повинен забезпечувати отримання необхідної потужності або енергії променя.

Частина енергії лазерного випромінювання, що подається на поверхню матеріалу, поглинається ним, а частина відбивається. Щільність поглиненої потужності випромінювання змінюється в середині об'єму твердого тіла за законом Бугера.

деталь поверхня зміцнення лазерний

(1)

де qv0 та qv(z) - об'ємна щільність потоку випромінювання на поверхні тіла та на відстані z від поверхні, Вт/см2; R,? - коефіцієнти відбиття та поглинання світла.

Процес поглинання квантів світла електронами відбувається при поглинанні або випусканні фотонів, при зіткненні електронів між собою, інше. Виділене тепло проникає вглиб матеріалу за рахунок електронної теплопровідності. що є провідним.

Температура на поверхні металу може досягти точки плавлення при щільності потужності 104-106 Вт/см2. При щільності потужності 104 Вт/см2 розплавлення не відбувається, а при 106 Вт/см2 відбувається випаровування матеріалу.

За допомогою одномірної моделі нагріву напівнескінченного тіла джерелом тепла постійної інтенсивності можна знайти час досягання на поверхні температури плавлення.

(2)

де Тт - температура плавлення матеріалу, С0; ? - коефіцієнт електронної теплопровідності, Вт/см·град; а - коефіцієнт провідності температури см2/с; q0 - щільність потоку потужності. [4]

Після того, як температура на поверхні металу досягає точки плавлення, починається розплавлення поверхневого шару та зміщення границь рідкої фази в глиб металу. Максимальна глибина проплавленого шару залежить від коефіцієнта температуро провідності матеріалу. При його великих значеннях тепло швидко відводиться в глиб матеріалу, що зменшує кількість розплаву.

В даній роботі були поставленні такі задачі досліду:

Обробити безперервним лазерним променем зразки з сірого чавуну з різною мікроструктурою на декількох швидкостях пересування променя.

Дослідити залежність глибини прогартовування від обраної швидкості і вихідної мікроструктури.

Вивчити залежність загартованої ширини поверхні від вибраної швидкості і вихідної мікроструктури.

Вивчити залежність величини прогартованої поверхні від вибраної швидкості і вихідної мікроструктури.

Виявити найоптимальніший варіант лазерного гартування сірого чавуну.

В якості матеріалу для досліджень було обрано сірий чавун СЧ-20.

Складові наведенні нижче:

С=3,85% ; Mn=0,60% ;

Р=0,056%; Cr=0,04%;

S=0,035%; Ni=0,05%;

Si=1,1%; Ti=0,03%;

Cu=0,03%.

Термообробка здійснювалась за допомогою лазера безперервної дії СО2 „Кардамон”. Приготування шліфів для проведення металографічних дослідів за стандартними методами.

Металографічні досліди отриманих зразків проводились на горизонтальному мікроскопі МИМ-8, який дозволяє отримувати збільшення до 1350 раз при візуальному спостереженні та до 2000 раз при фотографуванні.

Дюрометричні випробування проводились на приладі ПМТ-3 методом вдавлювання під навантаженням від 0.5 до 2 Н. В якості інструменту для вдавлювання використовувалась алмазна піраміда з квадратною основою та кутом при вершині між протилежними гранями 136°.

Вимір глибини та ширини загартування проводився за допомогою спеціального окуляра зі шкалою. Збільшення ?24, точність 0,05 мм.

Виходячи з гіпотез дослідження та поставлених задач було здійснено планування експерименту. Результати показані в таблиці:

Таблиця

Описувати структурні перетворення, що пройшли в кожному зразку, є недоцільним, так як варіанти обробки багато в чому спорідненні, мають багато спільного в якісних змінах та відрізняються по кількісним значенням твердості, глибини та ширини загартування. Металографічний аналіз зразків, зміцнених за варіантами, показав, що оплавлений шар практично не протравлюється спиртовим розчином азотної кислоти, що є звичним ефектом при лазерному гартуванні через погане травлення цементиту та мартенситу гартування. Під оплавленим шаром розташована зона з частково оплавленою структурою, в якій виявляються дендрити первинної структури доевтектичного чавуну. В цій зоні частково зберігаються і графітні пластинки, які не встигли розчинитися. Між відбіленним шаром та серцевиною, з незміною графітною структурою спостерігається досить чітка границя. На рисунку 1 видно, що в місцях перетину цієї границі графітною пластинкою зона проплавлення проникає глибше в метал за рахунок явища контактного плавлення. На панорамі видно, що глибина зони, що загартовується дуже велика. Пояснюється це малою швидкістю переміщення променю (2,1 мм/с) та передачі зразку великої кількості енергії.

Зі збільшенням швидкості переміщення зразка зона з повним відбілом трохи менша, але так як швидкість охолодження в цьому випадку набагато вище ніж в попередньому через менший проплав, і мікротвердість поверхні стала більше. Під оплавленим шаром також розташована зона з частково оплавленою структурою, там видно не повністю розчинені графітні включення. Глибина проплаву в цьому випадку менша. Нижня границя також не рівна, контактне плавлення призводить до того, що вздовж граничних пластин спостерігається вклинювання оплавленої зони в глибину не оплавленого шару.

Рис. 1. Залежність глибини про гартування від швидкості променя ( ? - дрібна, ?- крупна)

При швидкості 24 мм/с, швидкість нагрівання і охолодження досягають максимальних величин, що дозволяє отримати якісно новий зміцнений поверхневий шар - тонку плівку аморфного металу, що має аномально високу твердість та зносостійкість (рис.).

Другий шар складається з мартенситу, що переходить в тростит і перліт. Графітні включення видно не розчиненими. Границя поділу між зонами термічного впливу та структурою, що не змінилася - більш рівна. Глибина прогартування - мінімальна.

Рис. 2. Залежність ширини прогартовування від швидкості променя( ? - дрібна, ?- крупна)

В результаті цього:

- оброблена поверхня залишається гладенькою, незалежно від того, що вона тимчасово переходить в твердо-рідкий стан;

- досягається оптимальна об'ємна структура при якій тверді зони, що складаються з більш крупного матеріалу, ізольовані одна від одної, а між ними розташована безперервна матриця з більш в'язкого незміцненого матеріалу - виконується так званий принцип Шарпі.

При цьому показано, що чим менші включення графіту в чавуні, тим ефективніше лазерне загартовування. Це пояснюється тим, що в випадку дисперсної структури графітних включень, відношення їх поверхні до об'єму збільшується. Зростає загальна поверхня контактного плавлення, тобто відбувається обернена евтектична реакція:

аустеніт + графіт = рідина.

Після проведення термічної обробки зразків по запланованим варіантам, виготовлення мікрошліфів, проведення металографічного дюрометрічного аналізу були отримані наступні результати (таб. 1) і виведені такі залежності:

а) глибина прогартування від швидкості переміщення променя в зразках з дрібними та крупними включеннями графіту.

б) ширина прогартовування від швидкості променяв зразках з дрібними та крупними включеннями графіту.

в) мікротвердость від глибини прогартовуванняв зразках з дрібними та крупними включеннями графіту.

Рис. 3. Залежність мікротвердості від глибини прогартовування( ? - дрібна, ?- крупна)

Висновки

Порівнявши дані по глибині прогартовування з застосуванням різних покрить можна зробити висновок, що чавун з дрібними включеннями графіту має кращі показники, а відносно швидкостей переміщення променя, швидкості 2,1, 4,2 та 8,3 мм/с, можуть застосовуватись в промислових масштабах, так як забезпечують порівняно велику глибину прогартовування. Щодо швидкостей переміщення променя, то слід відзначити, що при їх малих значеннях глибина і ширина прогартовування є найбільшими, за значенням, а мікротвердості мінімальними. Це можна пояснити тим, що при менших швидкостях зразку передається більша кількість енергії, розігрівається більший об'єм металу і як наслідок, зменшується швидкість охолодження, що в свою чергу веде до зменшення кількості утворення мартенситу з металевої матриці зразка. Термообробка чавунів з дрібними включеннями графіту мала якісно кращі показники мікротвердості, глибини проплавлювання та ширину прогартовування, в порівнянні з зразками з крупними включеннями графіту.

Література

Криштал М. А., Жуков А. А., Кокора А. Н. Структура и свойство сплавов, обработанных лучом лазера. М., "Металлургия", 1973.

Жуков А. А., Кокора А. Н., Сасин А. Л., Борисова Д. Н. Определение температуры плавления цементита. - Физика и химия обработки материалов. 1976, №3.

Жуков А. А., Кокора А. Н. и др. Поверхностное упрочнение чугунных деталей излучением оптических квантовых генераторов. Физико-химическая механика материалов. 1975, №1.

Григорянц А. Г., Сафонов А.Н. Методы поверхностной лазерной обработки М.: Высш. Шк., 1987.-191 с.

Шилина О. П. (Жуков А. А., Кокора А. Н.) Получение в высокопрочном чугуне износостойкой структуры соответствующей принципу Шарпи. Физика и химия обработки материалов. 1986, №3.

Шилина О. П. (Жуков А. А.) Применение лазерной техники для поверхностного упрочнения деталей в текстильном машиностроении. Тезисы докладов ІІ Международной н-т конференции.

Размещено на Allbest.ru