Способы поверхностного упрочнения деталей машин

Типовая глубина упрочняемого слоя, мм	Упрочняющая обработка	Твердость поверхностного слоя
HV	HRC
0,1…0,2	Борирование	1800…2000	-
0,3…0,5	Азотирование	850…1050	65…68
0,2…0,8	Нитроцементация, закалка и низкий отпуск	-	58…64
0,5…1,0	Лазерное термоупрочнение	950…1200	67…72
1,5…1,8	Цементация, закалка и низкий отпуск	-	58…62

Основные параметры лазерной закалки непрерывными лазерами - это мощность излучения Р и диаметр пятна d, которые определяют плотность мощности, а также n - скорость перемещения детали относительно луча, определяющая длительность лазерного воздействия.

Зона упрочнения на поверхности детали имеет форму полосы, а сечение, перпендикулярное направлению движения, - форму сегмента.

Влияние режимов лазерной обработки на геометрические размеры зон лазерного воздействия принято рассматривать при одном изменяющемся параметре. На рис. 33 (а) показано изменение глубины и ширины зоны лазерного воздействия (ЗЛВ) на поверхности среднеуглеродистой стали 45 в зависимости от скорости обработки; на рис. 33 (б) - изменение глубины и ширины на поверхности стали ШХ15 от мощности излучения. Видно, что размеры ЗЛВ уменьшаются при увеличении скорости обработки и увеличиваются при увеличении мощности. Из решения тепловых задач видно, что глубина ЗЛВ зависит от скорости обработки следующим образом h ~ l/Ön. Как и при импульсной закалке, увеличение диаметра пятна d _п при постоянных значениях Р и nприводит к уменьшению глубины ЗЛВ и к увеличению ее ширины до некоторого предела, после которого ширина ЗЛВ может уменьшаться.

Рис. 33. Влияние параметров лазерной обработки на геометрические размеры ЗЛВ:

а – зависимость глубины h и ширины b ЗЛВ стали 45 от скорости обработки

при Р = 3 кВт;

б – зависимость глубины h и ширины b ЗЛВ стали ШХ15 от мощности излучения

при v = 50 мм/с

В настоящее время имеется достаточно много аналитических и
экспериментальных зависимостей, связывающих глубину упрочнения с
отдельными параметрами и со всеми сразу: например, h ~ Р /Ö d _п nи др. Для
ряда случаев построены операционные карты, позволяющие выбирать
необходимые интервалы режимов. Одна из таких карт (для стали с 0,36 %
углерода) приведена на рис. 34. По такой карте можно легко выбрать скорость и мощность для получения заданной глубины ЗЛВ при постоянном диаметре
пятна.

Рис. 34. Операционная карта для выбора режимов лазерной обработки

Согласно экспериментальным данным и теоретическим расчетам,
максимальная глубина упрочненного без оплавления слоя на сталях не
превышает 2,5...3 мм, а на чугунах 2...2,5 мм. При обработке с оплавлением эти
значения могут быть увеличены.

Микротвердость поверхностного слоя зависит от режимов обработки и от химического состава сплава. При обработке с оплавлением среднеуглеродистой стали и ряда сплавов микротвердость увеличивается с увеличением скорости
обработки. Увеличение микротвердости при этом связано с увеличением
скорости охлаждения. С увеличением содержания углерода или легирующих
элементов в стали микротвердость при увеличении скорости обработки
увеличивается не так заметно, поскольку при этом может возрастать
количество остаточного аустенита. При обработке без оплавления
микротвердость может уменьшаться из-за незавершенности процессов гомогенизации. Эти процессы были ранее детально рассмотрены.

Параметры шероховатости поверхности при обработке с оплавлением имеют сложную зависимость от режимов. При большом объеме расплавленного металла (обработка с большой мощностью) с уменьшением скорости обработки высота микронеровностей и максимальная высота наплывов уменьшается за счет увеличения растекаемости расплава и смачиваемости поверхности.

При малом объеме расплавленного металла (обработка с малой мощностью) с увеличением скорости обработки высота наплывов увеличи-вается. При переходе на режим лазерной закалки без оплавления параметры шероховатости поверхности практически соответствуют исходным.

Перспективным направлением для уменьшения шероховатости при лазерной закалке с оплавлением может быть разработка процесса с использованием добавок, уменьшающих поверхностное натяжение расплава и увеличивающих смачиваемость поверхности.

При обработке непрерывными лазерами значительной площади поверхности детали наиболее часто встречаются два случая: упрочнение плоских поверхностей и упрочнение цилиндрических поверхностей. При этом важной технологической характеристикой является коэффициент перекрытия;

К_п = S/d,

где d - диаметр лазерного луча (ширина лазерной дорожки), S - шаг (расстояние между центрами соседних дорожек). Полосы могут быть наложены с перекрытием (при К_п < 1) или без перекрытия (при К_п > 1). Однако значительное перекрытие лазерных дорожек недопустимо из-за сильного теплового влияния при наложении полосы на предыдущую полосу. Наибольшая износостойкость поверхности достигается при наложении полос на некотором расстоянии друг от друга так, чтобы обработанная лазером площадь составляла 20…80 % от общей площади.

Как показано на рис. 35 обработку плоских поверхностей ведут по двум схемам наложения полос: линейной (а) и клеточной (б). После наложения каждой полосы деталь или луч периодически смещаются в поперечном направлении на расстояние, равное шагу S.

Рис. 35. Схема обработки плоских поверхностей

Обработку наружных цилиндрических поверхностей ведут по трем
схемам (рис. 36): наложение односпиральных полос (а), наложение двух-
спиральных полос навстречу друг другу с постоянной осевой подачей S (б) и
наложение полос вдоль оси по образующей с периодическим вращением детали
длясмещения на шаг S (в).

Упрочнение внутренних поверхностей осуществляется либо с помощью отклоняющего зеркала, вводимого внутрь детали, либо лазерным лучом, направленным не под прямым углом к поверхности (рис. 37).