Лазерная термическая обработкаЛазерная закалка имеет следующие преимущества перед обычной закалкой: 1. Быстрый нагрев (доли секунды) тонкого поверхностного слоя резко снижает затраты энергии и времени. 2. Имеется возможность закаливать внутренние и труднодоступные поверхности деталей (например, корпусных). 3. Получение локальных упрочненных зон. 4. Окисление поверхности детали и внутренние напряжения при такой закалке минимальны. Закалка больших участков поверхности детали обычно производится СО2-лазерами мощностью 1 кВт и более. Закалка небольших участков и закалка мелких деталей может производиться на твердотельных импульсных и непрерывных лазерах (на рубине, стеклах и др.) при средних значениях мощности. Скорость сканирования (перемещения) расфокусированного лазерного луча определяется толщиной упрочняемого слоя (может достигать 0,005…3 мм) и площадью сечения луча и обычно составляет 1…10 см/с. скорость нагрева составляет 5·103…5·104 ºС/с. Охлаждение нагретого выше т. А3 или А1 участка стальной детали или инструмента происходит со сверхвысокими скоростями, практически равными скорости нагрева, за счет теплоотвода вглубь материала изделия. При этом формируется бесструктурный мартенсит с твердостью превышающей твердость мартенсита при обычной закалке на 20…30%. Такая закалка носит название «автозакалка». Лазерная закалка режущего и штампового инструмента широко применяется в промышленности. Так, лазерное упрочнение на установке «Квант16», «Квант18» штамповых матриц и пуансонов из сталей У10, Х12, Х12М и др. повышает их стойкость в 1,5…3 раза, а упрочнение режущего инструмента (токарные резцы, сверла, развертки, фрезы и др. инструменты) из сталей Р18, Р6М5, 9ХС, ХВГ и др. повышает их стойкость в 2…6 раз. На рис. 7 показаны схемы упрочнения лазерной закалкой режущего инструмента и динамика его износа.
Лазерная закалка применяется для упрочнения автомобильных и тракторных деталей. Так, на фирме Дженерал Моторс, одной из первых внедривших лазерную закалку многих деталей, упрочняется картер рулевого управления автомобиля, изготовленный из ферритоперлитного ковкого чугуна. СО2-лазером, мощностью 1 кВт за 18 с наносят пять полосок шириной до 2,5 мм и длиной 152 мм на внутреннюю рабочую поверхность. Поверхность перед обработкой фосфатируется для повышения поглощательной способности. Упрочненные без оплавления полосы с глубиной закаленной зоны 0,25 мм имеют твердость HRC 60…62. Масса упрочненной части составляет 57 г при общей массе корпуса 6,4 кг. В результате износостойкость поверхности увеличилась в 10 раз, а срок службы детали – в 5 раз. Кроме того, устранение деформации корпуса и последующего шлифования позволило сократить расходы на обработку детали на 80%. Процесс лазерной закалки оказался более экономичным, чем азотирование, индукционная закалка, установка вставки из других материалов и др. На рис. 8 показаны образцы вырубного и режущего инструментов, упрочняемые лазерной закалкой.
В настоящее время лазерной закалкой упрочняются такие детали как гильзы цилиндров, поршневые кольца, поверхности канавок в головке поршней для поршневых колец, седла и втулки клапанов, кулачки на кулачковых распределительных валах, головки блоков цилиндров и др. детали. Лазерный отжиг, в отличие от закалки, преследует цель получения равновесной структуры обладающей меньшей твердостью и большей пластичностью. Поэтому скорость охлаждения нагретого материала должна быть значительно меньше критической. Наибольшее применение этот процесс нашел в технологии материалов электронной техники, для уменьшения дефектов структуры полупроводников, диэлектриков, металлических и металлокерамических резисторов и улучшения их электрических свойств. Для конструкционных металлов и сплавов такой отжиг применяется для снижения твердости и повышения пластичности для осуществления последующей пластической деформации или для увеличения сопротивления усталости.
4.3. Лазерная аморфизация поверхности происходит при сверхвысоких скоростях охлаждения некоторых сплавов, когда вязкость жидкого металла возрастает настолько быстро, что центры кристаллизации вырасти не успевают и жидкий металл застывает как стеклообразная масса. Так, например, ферромагнитные аморфные сплавы имеют коэрцитивную силу в 10 тыс. раз меньше, чем в кристаллическом состоянии. С учетом того, что электросопротивление аморфных сплавов в 2…3 раза выше, чем у кристаллических, их можно использовать в качестве магнитомягких материалов. 4.4. Лазерное поверхностное легирование заключается в том, что в расплавленный лазерным лучом тонкий поверхностный слой вводится в порошкообразном виде один или несколько легирующих элементов, которые после перемешивания с жидким металлом образуют новый сплав. Легирующими элементами являются карбиды и нитриды титана (TiC, TiN), вольфрам, молибден, сплавы на основе хрома, никеля, молибдена, бора, а также неметаллические компоненты: С, N, В, Si. Лазерное легирование стали и чугуна обеспечивает повышение коррозионной стойкости и износостойкости. При легировании средняя глубина легированного слоя составляет 0,3…0,4 мм при импульсной обработке и 0,3…1,0 мм при обработке непрерывным лазером. При лазерной цементации микротвердость цементованного слоя достигает значений 9000…14000 МПа, при лазерном азотировании титановых и циркониевых сплавов твердость азотированного слоя – 17000…20000 МПа, при лазерном силицировании – 8000…15000 МПа. Лазерное легирование сталей 45, У10А, ШХ15 и титановых сплавов ВТЗ-1, ВТ6, ВТ9 и др. повышает износостойкость в два и более раза.
4.5. Лазерная наплавка заключается в нанесении на поверхность изделия покрытия путем расплавления на некоторую глубину основы и присадочного материала. Преимущества лазерной наплавки: 1) высокая производительность (скорость наплавки 70…120 м/ч); 2) локальность процесса в диапазоне 0,5…5 мм; 3) точная дозировка энергии лазерного излучения, что обеспечивает минимальное расплавление основы; 4) высокая прочность сцепления покрытия с основой.
Наплавка выполняется чаще всего, непрерывными СО2-лазерами мощностью 1 кВт и более путем оплавления нанесенных на поверхность изделия порошков и паст. Применяются пасты на основе порошка ПГ-ХН80СР2, а также порошки сплавов колмоной (на основе Ni, марок ПГ-СР3, СНГН-50 и др.), сплавов на основе кобальта (стеллиты марок 110Х28К63В4, 25Х27К61М5Н3), обеспечивающих твердость от 20 до 58 HRC и высокую коррозионную стойкость. Газопорошковая лазерная наплавка успешно применяется в ремонтно-восстановительных работах для восстановления и упрочнения тяжелонагруженных участков деталей двигателей, машин и оборудования. 4.6. Лазерная сварка применяется для соединения изделий из конструкционных сталей и сплавов (титановые, медные, алюминиевые и др.), а также для неметаллов (полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид и т.п.) Твердодетальные лазеры применяют для сварки различных изделий микрорадиоэлектроники. Круглые и плоские проводники толщиной 0,005…0,5 мм из меди, никеля, серебра, тантала, нержавеющей стали сваривают стыковым, нахлесточным и другими соединениями. С помощью лазеров можно сваривать изделия в термообработанном состоянии, сваривать рядом с металлокерамическими или металлостеклянными спаями, сваривать монокрсталлические материалы с минимальным нарушением исходной структуры. Основные параметры сварки – мощность лазерного излучения и время воздействия луча. Для сварки требуется плотность мощности ~ 105…106 Вт/см2, для изделий толщиной более 1…1,5 мм – непрерывное излучение, при меньшей толщине – прерывистое. Используя лазер мощностью 5 кВт, можно проплавить насквозь изделия из нержавеющей стали толщиной до 6 мм со скоростью до 50 м/ч. Глубина проплавления растет с увеличением мощности луча (с 5 до 20 кВт – зависимость линейная). С уменьшением угла сходимости до 5…10º глубина растет быстрее мощности. Так, при сварке углеродистых сталей на режиме: угол сходимости 10º, мощность 19,5 кВт, скорость сварки 80 м/ч, можно получить швы со сквозным проплавлением. Лазерная сварка применяется в автомобилестроении для сварки деталей кузовов, шестерен коробки передач, карданных валов с использованием СО2-лазеров мощностью до 10 кВт.
|
