CC BY
42
ДОСЛІДЖЕННЯ МІКРОТВЕРДОСТІ ПОВЕРХНЕВОГО ШАРУ СТАЛІ ПІСЛЯ РІЗНИХ РЕЖИМІВ ЛАЗЕРНОЇ ОБРОБКИ
В.П. Тарабанова, доцент, к.т.н., Д.Б. Глушкова, доцент, к.т.н., В.І. Попова, інженер, М.О. Доценко, студент, ХНАДУ
Анотація. Досліджено розподіл мікротвердості і глибини поверхневого шару після безперервного та імпульсного лазерного випромінювання.
Ключові слова: лазерне випромінювання, мікротвердість, зміцнений шар.
Вступ
Сучасні методи поверхневого зміцнення направлені на підвищення твердості та зносостійкості поверхні деталей і інструмента. Визначення твердості або мікротвердості є методом, що дозволяє оцінювати експлуатаційні властивості матеріалів.
Аналіз публікацій
Режими поверхневого зміцнення суттєво впливають на структуроутворення, що призводить до певного розділу мікротвердості і, відповідно, зміни експлуатаційних властивостей [1].
Одним із сучасних способів поверхневого зміцнення є використання лазерного випромінювання. Лазерна термічна обробка з успіхом використовується у виробництві, так як дає можливість підвищити різальні властивості інструмента і окремих деталей в машинобудуванні.
Гартування лазерним випромінюванням збільшує термін роботи інструмента в 2-5 рази, також цей метод доцільний для таких виробів, як шийки валів, зуби шестерень і ін.
Використання лазерного випромінювання ефективно і при інших видах термічної обробки. Обробка променем зварних швів після електронно-променевого зварювання дозволяє поліпшити якість за рахунок зміни мікроструктури і зняття внутрішніх напружень [2].
Головними параметрами, що безпосередньо визначають виробничий процес, є термін імпульсу, енергія в імпульсі, питома потужність випромінювання.
Лазерний нагрів має ряд суттєвих переваг, до яких належить: концентрація енергії в малих об’ємах, простота регулювання; можливість підведення у важкодоступні точки; висока стабільність процесу.
В зоні дії мають місце суттєві зміни субструктури, зменшуються розміри блоків, збільшуються мікронапруження, зростає густина дислокацій.
Вплив лазерного випромінювання в режимах гігантського імпульсу на зміни структури пояснюється високими швидкостями гартування (~106 град/с), великими температурними градієнтами (~105 град/с), процесами іонного бомбардування.
При дії лазерного випромінювання в поверхневих шарах металів мають місце структурні і фазові перетворення, що призводять до збільшення мікротвердості в порівнянні з мікротвердістю вихідної структури, зниженню коефіцієнта тертя і зниженню зносу поверхні. Тому використання лазерного випро-мінювання для поверхневого гартування різного роду інструмента та деталей машин є одним з шляхів підвищення їх зносостійкості [3].
Однією з проблем є використання впливу на властивості і, в першу чергу, на мікротвердість різних видів лазерного випромінювання. Велике значення має також глибина зміцненого поверхневого шару.
Мета та постановка задачі
Метою роботи є дослідження впливу імпульсного і безперервного лазерного випромінювання на розподіл мікротвердості і глибину зміцненого шару. Матеріалом дослідження була сталь ХВГ.
Формування глибин поверхневого гартування і розподіл мікротвердості при різних режимах лазерного випромінювання
Досліджувався розподіл мікротвердості сталі ХВГ, що попередньо піддавалася об’ємному гартуванню і триразовому відпуску.
Імпульсна обробка проводилась лазерним випромінюванням з довжиною хвилі 1,06 мкм при довжині імпульсу 1,2; 3,5; 4,5; 6,0 мс.
При безперервній лазерній обробці використовувалось випромінювання СО2 -лазера з довжиною хвилі 10,6 мкм.
При лазерній обробці поблизу поверхні утворюються дві зони: зона поверхневого гартування з мікротвердістю, що перевищує твердість вихідної структури, і зона під поверхневим шаром (зони відпуску), що має мікротвердість декілька менше вихідної.
Результати замірів глибини h і мікротвердості Нц зони поверхневого гартування наведені на рис. 1.
Як можна побачити на рис. 1, при безперервній лазерній обробці глибина зони поверхневого гартування приблизно на порядок більше, ніж при імпульсній. Це обумовлено різницею в швидкостях нагріву і охолодження при різних режимах лазерної обробки.
При безперервній лазерній обробці швидкість нагріву і охолодження на три порядки менше, ніж при імпульсній. Це суттєво впливає на глибину зон, але практично не впливає на їх мікротвердість.
При різних режимах лазерної обробки мікротвердість зон поверхневого гартування приблизно одна і та ж, що обумовлено утворенням в них відповідного структурного стану.
Рис. 1. Залежність глибини h і мікротвердості Нц зони поверхневого гартування від густини енергії лазерного випромінювання є при імпульсній обробці з терміном імпульсу т =1,2 мс
(а) і т =6,0 мс (б) і від швидкості переміщення променя по поверхні зразка V при безперервній обробці з густиною потужності лазерного випромінювання q = 1,9-104 Вт/см2
(в)
----------- обробка без оплавлення; —
При збільшенні терміну лазерної обробки в зонах поверхневого гартування зменшується кількість залишкового аустеніту і зростає частка дрібнодисперсного мартенситу гартування.
При малому терміні лазерної обробки залишкового аустеніту в цих зонах більше, однак в цьому випадку внаслідок більш швидкого охолодження він в більшій мірі успадковує дефектну структуру мартенситу і тому має підвищену мікротвердість.
Висновки
При різних режимах лазерного випромінювання мікротвердість зон поверхневого гартування приблизно однакова, що обумовлено утворенням в них відповідного структурного стану.
Порівняння глибини зміцненого шару при безперервному та імпульсному лазерному випромінюванні свідчить про значно більшу глибину зміцненого шару при безперервному лазерному випромінюванні.
Для поверхневого гартування інструменту і деталей великих розмірів ефективним є
----- обробка з оплавленням
використання безперервного лазерного випромінювання. Для обробки виробів малих розмірів з метою запобігання їх перегріву при досягненні максимальних значень мікротвердості зон поверхневого гартування доцільно використовувати імпульсне лазерне випромінювання.
Література
1. Кяшкин В.М., Жданов Г.С., Миркин Л.И.
Структура и свойства аморфизирован-ных сплавов, полученных при лазерном воздействии. В кн.: Диффузия, фазовые превращения, механические свойства металлов и сплавов. - М.: Мир, 2002. -С.40 - 46.
2. Рэди Д. Действие мощного лазерного излу-
чения. - М.: Мир, 2001. - 461 с.
3. Леонтьев П.А., Хан М.Г. Лазерная обра-
ботка металлов и сплавов. - М.: Металлургия, 2002. - 142 с.
Рецензент: О.І. П’ятак, професор, д. ф.-м. н., ХНАДУ.
Стаття надійшла до редакції 26 червня 2008 р.
