Термическое упрочнение поверхностей лазерным излучением

Министерство  образования и науки, молодежи и  спорта Украины

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат на тему:

«Термическое упрочнение поверхностей лазерным излучением»

 

 

 

 

 

                                                   Подготовил: студент

                                                                                   

                                   Проверил:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Мариуполь 2012

Термическое упрочнение поверхностей лазерным излучением

Наряду с традиционными  методами обработки материалов в  последние годы наиболее широкое  распространение получили такие  направления как лазерная резка, сварка, термическое упрочнение, получение  поверхностных покрытий с применением  лазерного излучения.

Термическое упрочнение металлов 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.

В отличие от известных  процессов термоупрочнения закалкой токами высокой частоты, электронагревом, закалкой из расплава и другими способами  нагрев при лазерной закалке является не объемным, а поверхностным процессом. При этом время нагрева и время  охлаждения незначительны, практически  отсутствует выдержка при температуре  нагрева. Эти условия обеспечивают высокие скорости нагрева и охлаждения обрабатываемых поверхностных участков. Вследствие указанных особенностей формирование структуры, при лазерной термообработке имеет свои специфические  особенности.

Основной целью лазерного  термоупрочнения сталей, чугунов  и цветных сплавов является повышение  износостойкости деталей, работающих в условиях трения. В результате лазерной закалки достигаются высокая  твердость поверхности, высокая  дисперсность структуры, уменьшение коэффициента трения, увеличение несущей способности  поверхностных слоев и другие параметры.

Лазерная закалка обеспечивает наименьшие износ и коэффициент  трения, а закалка в печи –  наибольшие. Наряду с этим лазерная закалка характеризуется очень  малой приработкой (всего два-три  цикла), уменьшением верхних значений числа импульсов акустического  излучения и малым интервалом изменения числа импульсов. Это  происходит вследствие увеличения однородности микроструктуры поверхностного участка  после лазерной закалки.

Заметно увеличивается износостойкость  чугунов и алюминиевых сплавов  в условиях трения скольжения после  обработки непрерывным лазером. Повышение износостойкости чугунов  после лазерной обработки обусловлено  не только соответствующим структурным  и фазовым составом, но и улучшением условий трения благодаря сохранившемуся в зоне лазерного воздействия  графиту. Также повышается износостойкость  сталей и некоторых других сплавов  при трении в щелочной и кислой средах.

Для упрочнения инструментов применяется лазерная закалка импульсным излучением. Эффективна обработка боковых  поверхностей вырубных пуансонов, так как в этом случае упрочненный слой сохраняется после многократных переточек. Стойкость пуансонов возрастает в 2?5 раз.

Более высокая производительность закалки обеспечивается лазерами непрерывного излучения при перемещении обрабатываемой детали относительно луча с постоянной скоростью. При этом на детали формируются  закаленные поверхностные участки  в виде полосы шириной от 1 до 10 мм. Максимальная глубина упрочнения при  закалке сталей и чугунов без  оплавления достигает 2,0 мм. При обработке  с оплавлением это значение возрастает, но при этом ухудшается качество поверхности.

Закалка непрерывным лазером  обеспечивает большую равномерность  упрочнения поверхности по сравнению  с импульсным воздействием, так как  по длине упрочненной полосы твердость  распределяется равномерно. При обработке  больших поверхностей упрочненные  полосы накладывают с перекрытием. В ряде случаев для обеспечения  износостойкости поверхности целесообразно  накладывать полосы на некотором  расстоянии друг от друга без перекрытия.

Последующее выравнивание свойств  упрочненной полосы и увеличение ее ширины до 20 мм достигается сканированием  лазерного луча в поперечном направлении  по отношению к перемещению обрабатываемой детали. При высокой частоте сканирования (200 Гц и более) обеспечивается равномерное  воздействие лазерного излучения  по ширине обрабатываемого участка.

Основное назначение лазерного  поверхностного упрочнения непрерывным  излучением заключается в обеспечении  высокой износостойкости прежде всего при трении качения и  скольжения. В ряде случаев лазерное термоупрочнение приводит к повышению  теплостойкости. В общем случае теплостойкость закаленной структуры в сплавах  зависит от степени метастабильности структуры и диффузионной подвижности  атомов. В сплавах железа с углеродом  искаженность кристаллической решетки  и плотность дислокаций при лазерном термоупрочнении оказываются больше, чем при традиционной закалке. Это  должно приводить к более интенсивному процессу распада мартенсита закалки  на ферритно-цементитную смесь, а  следовательно, и к более интенсивному снижению микротвердости в процессе отпуска.

Однако, с другой стороны, при нагреве до 300 °С чугунов, углеродистых и легированных сталей, термоупрочненных лазерным излучением, возможно превращение  остаточного аустенита в мартенсит. В связи с этим характер изменения  твердости в процессе нагрева  может быть более сложным.

Большая пересыщенность твердых  растворов после лазерной закалки, особенно в зоне оплавления, может  приводить к выделению в процессе последующего нагрева большого количества сегрегации и промежуточных фаз, что приводит к увеличению твердости.

При эксплуатации деталей  в условиях переменных нагрузок решающее значение приобретает сопротивление  усталости. На сопротивление усталости  деталей с термоупрочненными  поверхностями решающее влияние  оказывают микрогеометрия поверхности  и наличие дефектов, знак и значение остаточных напряжений, величина зерна, форма структурных составляющих и другие особенности микроструктуры. Указанные факторы могут иметь  различное количественное выражение  и разнообразное сочетание при  лазерном термоупрочнении сплавов. В связи с этим трудно установить общие закономерности для оценки сопротивления усталости в зависимости  от параметров режима лазерной закалки, исходных свойств и структуры  сплава, подготовки поверхности и  т.д.

После импульсной лазерной закалки предел выносливости понижается примерно на 40 % по сравнению с исходным состоянием. Лазерная закалка непрерывным  излучением без оплавления поверхностей таких сталей, как 09Г2, 35, 45, 40Х, 75Г, приводит к повышению предела выносливости до 520 МПа (в исходном состоянии 200?300 Мпа).

Коррозионная стойкость  сплавов, как правило, возрастает при  повышении однородности фазового состава. В связи с этим лазерное термоупрочнение  с оплавлением поверхностей некоторых  сплавов, в частности чугунов, алюминиевых  и медных сплавов, как и аморфизация  поверхностей сплавов, приводит к повышению  коррозионной стойкости зон обработки.

При лазерном упрочнении углеродистых сталей повышается концентрационная неоднородность, сохраняются элементы исходной структуры  в виде феррита или карбидов, появляется остаточный аустенит. Эти явления  могут приводить к снижению коррозионной стойкости. Таким образом, оценка коррозионной стойкости термоупрочненных лазером  сплавов не является однозначной  и зависит как от класса обрабатываемых материалов, так и от режима и  условий лазерной обработки.

Для широкого промышленного  освоения термического упрочнения поверхностей лазерным излучением в машиностроении необходимы лазеры мощностью 1 кВт и  выше, надежные в эксплуатации в  производственных условиях с автоматизированной системой управления лазерного технологического комплекса.

Конечный продукт, выполненный  с применением лазерных технологий (лазерная резка металла, сварка, термоупрочнение) обладает высокими техническими характеристиками.

 

Министерство  образования и науки, молодежи и  спорта Украины

Приазовский государственный  технический университет

Кафедра «Металлургия и технология сварочного производства»

 

 

 

 

 

 

 

Реферат на тему:

«Лазерное упрочнение»

 

 

 

 

 

Подготовила: студентка  группы ТиУВ-08

                                                                                    Ковальская Анна

                                   Проверил: Гулаков С.В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Мариуполь 2012

Лазерное упрочнение

Преимущества лазерного  упрочнения заключаются в уменьшении объема дополнительной обработки и  возможность обработки неоднородных трехмерных заготовок. Благодаря незначительному  тепловому воздействию деформация остается на ограниченном уровне, издержки на дополнительную обработку уменьшаются  или не возникают вовсе.

Рисунок 1. Схема лазерного  упрочнения

Принцип лазерного упрочнения: лазерный луч нагревает поверхностный  слой металла. Быстрое охлаждение закаливает его.

Лазерное упрочнение относится  к методам поверхностной закалки. Оно применяется только в отношении  металлических материалов, поддающихся  закалке. Это стали и чугуны с  содержанием углерода более 0,2 процентов.

Для упрочнения заготовки  лазерный луч в большинстве случаев  нагревает поверхностный слой до температуры, немного ниже температуры  плавления, т.е. до 900 - 1400 градусов Цельсия. По достижении заданной температуры  лазерный луч приходит в движение, непрерывно нагревая поверхность в  направлении подачи. Под воздействием высокой температуры атомы углерода в кристаллической решетке металла  меняют свое положение (аустенизация). После прохождения лазерного  луча нагретый слой очень быстро охлаждается  под воздействием окружающего материала. Этот процесс называют самозакалкой. Из-за быстрого охлаждения кристаллическая  решетка металла не может вернуться  в первоначальную форму, возникает  мартенсит. Мартенсит – это очень  твердая металлическая структура. Превращение в мартенсит приводит к увеличению твердости материала.

 

Рисунок 2. Шейки этого вала турбонагнетателя упрочнены лазером.

Лазерный луч упрочняет  поверхностный слой заготовки. Стандартный  диапазон глубины обработки при  поверхностной закалке составляет от 0,1 до 1, 5 мм, у не которых материалов это значение достигает 2,5 мм и более. Чем большей должна быть глубина  поверхностной закалки, тем больший  объем должен иметь окружающий материал для быстрого отвода тепла и быстрого охлаждения зоны закалки. Упрочнение осуществляется при относительно низкой плотности  мощности. Одновременно с этим обработка  ведется в плоскостном режиме. Поэтому лазерному лучу придают  форму, при которой он сможет обработать максимум поверхности заготовки. Распространена прямоугольная форма поверхности  облучения. Для упрочнения используются также сканирующие оптические устройства. Они очень быстро перемещают лазер  с круглым фокусом туда и обратно. На заготовке возникает линия  с практически одинаковой плотностью мощности. Это позволяет создавать  дорожки упрочненной поверхности  шириной до 60 мм.