Выполнена оптимизация параметров поверхностно-упрочненного слоя при лазерной закалке деталей.

Дата публикации: 22/06/2011
Категория: Новости лазерных технологий
Версия для печати

Исследованы структура и механические свойства стали 40Х, бронзы БрАЖНМц 9-4-4-1 и титанового сплава ЗМ после лазерного поверхностного упрочнения на различных режимах. Рассмотрена возможность количественной оценки максимально допустимой глубины упрочненного лазерной обработкой поверхностного слоя детали заданной рабочей толщины при сохранении необходимой эксплуатационной надежности конструкции.
Одно из перспективных направлений развития современного машиностроения - применение материалов с поверхностным лазерным упрочнением для изготовления высоконагруженных деталей, в том числе пар трения.
Применительно к парам трения первичная оценка минимальной необходимой глубины упрочнения в зависимости от условий работы может быть проведена с помощью модели Поповых—Живушкина.
В соответствии с моделью повышение нагрузок в современных машинах и механизмах возможно при увеличении глубины поверхностного упрочнения деталей. Однако упрочнение поверхностного слоя сопровождается снижением пластического течения в отличие от основного металла.
Следовательно, увеличение глубины упрочненного слоя больше некоторого значения может приводить к недопустимому снижению механических свойств материала с лазерным поверхностным упрочнением. Таким образом, чрезвычайно важно определение оптимального соотношения между глубиной упрочненного слоя и несущей толщиной детали.
Исследования, посвященные рассматриваемой проблеме, не позволили до настоящего времени выработать единый подход к ее решению.
Целью данной работы было изучение возможности количественной оценки максимально допустимой глубины упрочненного лазерной обработкой поверхностного слоя детали заданной рабочей толщины при сохранении необходимой эксплуатационной надежности конструкции.
Сделано предположение о том, что лазерная поверхностная обработка влияет и на нижележащие слои исходного материла. Для оценки такого возможного влияния была проведена лазерная обработка образов из стали 40Х с последующей механической обработкой для удаления упрочненного поверхностного слоя на глубину упрочнения.
Полученные данные свидетельствуют, что после удаления поверхностного упрочненного слоя механические свойства исходного материала полностью восстанавливаются, а зависимость механических свойств материала с лазерным упрочнением от отношения глубины упрочненного слоя к рабочей толщине детали адекватно описывается степенной функцией.
Некоторая погрешность при его применении может возникать лишь вследствие того, что не учитывается повышение предела текучести поверхностного слоя материала в результате лазерной обработки, что влияет на коэффициенты степенной зависимости. Однако этот фактор незначительный. Отмечено, что, кроме доли упрочненного материала механические свойства материала деталей с лазерным упрочнением зависят от схемы обработки и степени перекрытия треков.
Из полученных результатов следует, что лазерная обработка стали 40Х поперек оси образца приводит к хрупкому разрушению, однако при продольном расположении треков с перекрытием 0,6 можно получить значение относительного удлинения до 7%.
При этом предел текучести повышается на 40 %. Лазерная обработка двух противоположных граней образца снижает временное сопротивление по сравнению с обработкой одной плоскости. Последнее связано с уменьшением доли неупрочненного металла при обработке двух противоположных плоскостей.
Результаты исследований показали, что несмотря на влияние нескольких факторов, определяющим технологическим параметром работоспособности детали с поверхностным лазерным упрочнением можно считать отношение глубины упрочненного слоя металла к рабочей толщине детали. Являясь универсальным критерием, это отношение, однако, имеет различные абсолютные значения рекомендуемых и максимально допустимых пределов для материалов разных групп.
С повышением чувствительности материала к охрупчиванию при лазерном упрочнении граничные значения отношения уменьшаются.
Так, для сталей и бронз наибольшая эффективность упрочнения при сохранении достаточной эксплуатационной надежности конструкции достигается при значении отношения глубины упрочненного слоя к общей рабочей толщине детали 0,10—0,15, а для титановых сплавов — 0,01—0,02.
Максимально допустимое значение этого отношения для сталей и бронз — ~0,25 и для титановых сплавов — ~0,025. Применение предлагаемого параметра в качестве ограничивающего количественного критерия позволит избежать преждевременного хрупкого разрушения деталей, работающих при повышенных нагрузках, и прогнозировать поведение конструкций из различных металлических материалов при лазерном упрочнении.
Работа выполнена и подготовлена к публикации инж. В.О.Поповым, д.т.н. С.Ю.Кондратьевым и д.т.н. В.И.Горыниным ( ФГУП ЦНИИ КМ "Прометей", г.Санкт-Петербург ).

Источник: «Сварочное производство», 2011, № 3, с.11-15

Статьи по теме: