Лазерная обработка

     - остывание вещества после окончания действия лазерного излучения.

      Одновременно с указанными стадиями  проходят диффузионные и химические  процессы, а так же фазовые  превращения, оказывающие существенное  влияние на характер воздействия  излучения лазера на материалы.

      Количество поглощённой энергии  зависит от оптических и теплофизических  свойств материалов, особенно для  металлов и с увеличением длинны волны излучения уменьшается. Отражательная способность в оптическом диапазоне длин волн составляет для большинства металлов 70 – 95 %, а коэффициент поглощения также достаточно велик и составляет ~ 105-106 см ^-1.

    После перехода энергии излучения лазера в теплоту начинается процесс  нагрева материала. Поглощённая  световая энергия передаётся от зоны воздействия «холодным» слоям с  помощью различных механизмов теплопроводности, из которых для металлов в интервале  температур от сотен до десятков тысяч  градусов основным является электронная  теплопроводность [7].

    Термическое упрочнение гильз 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. При этом время нагрева и время охлаждения незначительны, практически отсутствуют выдержка при температуре нагрева. Эти условия обеспечивают высокие скорости нагрева и охлаждения обрабатываемых поверхностных участков. Метод основан на тепловом воздействии светового луча высокой энергии на поверхность обрабатываемой заготовки.

    3.2.  Структура и свойства  чугуна после лазерного упрочнения

    Поскольку допустимый износ у чугуна является малой величиной, то увеличение срока  службы гильзы достигается за счёт создания поверхностного слоя. Одной из важных особенностей поверхностного упрочнения является сохранение качества основной массы металла, которая также разогревается вместе с поверхностным слоем.

    Лазерная закалка поверхности может производиться как по спирали, когда обрабатываемая деталь вращается, а лазерный луч перемещается параллельно ее оси, так и на поверхность детали можно наносить более сложный рельеф (рисунок). Например, в виде сетки. Для этого лазерный луч перемещают сначала так, как в предыдущем случае, а затем - в обратном направлении [9].

    Если  рассмотреть поперечное сечение дорожки упрочненное лазерным излучением, то в нем можно выделить несколько основных зон (рисунок 1): зону оплава (зону закалки из жидкого состояния), зону закалки, зону отпуска и исходную структуру материала. В ряде  частных случаев некоторые из  этих  зон могут отсутствовать (например,  может отсутствовать зона  оплава  при закалке без оплавления  поверхности или  зона  отпуска  при закалке предварительно  отожжённого  металла)  [8].

    Рисунок 1.  Схема поперечного сечения зоны  лазерной  обработки (а)  и  распределения микро твердости  по  глубине зоны  обработки (б):   1  - исходный металл,  2  - зона  отпуска, 3  - зона закалки, 4 - зона закалки из жидкого состояния. 

    Характерный  внешний  вид  упрочненных  дорожек  без  оплавления  и  с  оплавлением  поверхности приведен на рисунке 2.

    Рисунок 2. Структура закаленных зон после лазер ной обработки образцов из серого перлитно го чугуна излучением СО₂- лазера: (а) - закалка без оплавления (х50); (б)  - закалка с оплавлением (х25). 

    Каждая  зона в свою очередь может состоять из нескольких слоёв и иметь по своему сечению различия в микроструктуре, элементном составе, соотношении составляющих её фаз и т.п. При оплавлении чугунов  графит растворяется в расплаве, и после кристаллизации формируется мелкодисперсная структура белого чугуна. Степень растворения графита зависит от его вида (пластинчатый, шаровой) и от длительности термического цикла.

    При  лазерной  закалке  без оплавления  фазовые превращения  в  матрице  чугунов связаны  с  её  структурой и со степенью  насыщенности её углеродом. В наибольшей степени  матрица  насыщается  углеродом вблизи  скоплений графита,  особенно  если они  имеют  развитую  поверхность  и  время нагрева достаточно  продолжительно. Микротвердость в зоне закалки ввиду большой неоднородности  структуры отличается  большим разбросом значений (от 3000 до 9000 МПа), причем в ферритных чугунах микро твердость всегда меньше, чем в перлитных [8].

    На  соотношение аустенитной и мартенситной составляющих в структуре чугуна существенное влияние оказывает длительность воздействия излучения   (от 0,16 до 1,2 с). С увеличением длительности в поверхностном слое появляются отдельные участки остаточного аустенита (рисунок 3) с микротвердостью H₁₀₀=500-560 кгс/мм². 

    Рисунок 3. Структура серого чугуна в зоне лазерного воздействия при длительности 1,2 с.

    Увеличение 500х. 

      В глубинных областях аустенит локализуется вокруг включений фосфидной эвтетики, т.е. в наиболее обогащенных углеродом участках. Наблюдаемое увеличение количества остаточного аустенита с ростом продолжительности лазерной закалке, по-видимому, связано с большим насыщением твердого раствора углеродом.

      Выбор режима  закалки  чугуна  и соответствующего ему структурного  состояния  в зоне лазерного воздействия должен  производиться с учетом  условий эксплуатации  конкретной  детали,  так как аустенит может оказывать различное влияние на износостойкость.  Применительно к трущейся  паре,  например  цилиндр двигателя - компрессионное  кольцо,  остаточный  аустенит  может способствовать  лучшей  приработке пары трения [9]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    4. ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО  РЕЖИМА ЛАЗЕРНОГО  УПРОЧНЕНИЯ ДЛЯ  ГИЛЬЗ ЦИЛИНДРОВ

    Таким образом, для лазерной закалки гильз цилиндров из серого чугуна, можно применить закалку при температуре 780 – 800˚С с последующим охлаждением и лазерный луч диаметром 5 мм. При этом можно использовать непрерывный СО₂ - лазер. Температурную обработку гильзы можно производить в различных средах (вода, воздух, различные газы). Более высокое упрочнение стали имеет место при её обработке в жидких средах и в случае применения специальных поглощающих покрытий, наносимых на поверхность детали в месте ее обработки.  Поверхность должна  быть  закалена на  глубину не  менее 0,13  мм, т.к. такой глубины достаточно для повышения износостойкости, прочности и усталостной сопротивляемости (исходя  из  допустимой  величины  износа  деталей)  полосами  шириной 2,6...3,2  мм  с шагом в 4 мм. Вблизи поверхности желательно иметь структуру отбеленного чугуна с микротвердостью  7·10...10·10³  МПа,  а  на  глубине  в  0,1  мм  -  закалённую  матрицу  с микротвердостью 6·10³...9·10³ МПа. Полный цикл термообработки требует 1 – 2 с.

    Заканчивают процесс лазерной обработки восстановлением. Восстановление включает в себя промывку деталей от грязи и масла; механическую обработку изношенной поверхности  при помощи шлифовальных машин; напыление  порошкового материала; установку  режимов работы и скоростных режимов.

    Обычные методы закалки, такие как поверхностная  закалка часто вызывают искажение  формы металла, что необратимо портит изделие или требует больших затрат на доводку.

      Цементация и азотирование поверхности  занимают много времени, для  них требуется высокая плотность  поддержания газового состава.  При этом нельзя обрабатывать  большие площади. Искажение гильзы также минимальное в сравнении с другими методами.

      По сравнению с другими источниками  тепла геометрия лазерного луча  легко изменяется оптическими системами. Лазерный луч передаётся на расстояние, фокусируется или расширяется специальными линзами. Таким образом, диаметром луча можно управлять дистанционно. Его даже можно разделять одновременно на различные участки детали.

      Закалка не требует специального  охлаждения. Поверхность обработанной гильзы остаётся чистой.

    СПИСОК  ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Лахтин  Ю.М. Металловедение и термическая  обработка металлов. Издание 3-е,  переработанное и дополненное. 

2. Сажин  В.Б. Основы материаловедения. Москва, 2005 г.

3. Гуляев  А.П. Металловедение. Учебник для  вузов. 6-ое изд., перераб. и доп.  Москва: Металлургия, 1986 г.

4. Колмогоров  В.Л. Пластичность и разрушение.

5. Колесник  П.А. Материаловедение на автомобильном транспорте-учебник для студентов вузов. – 4-е изд., перераб. и доп., 1987, Москва.

6. Применение лазеров в машиностроении и приборостроении. К.И. Крылов, В.Г. Прокопенко, А.С. Митрофанов, Ленинград, «Машиностроение», 1978 г. – 7. Лазерная обработка материалов. И.Н. Рокалои, А.А. Ужов, А.Н. Кокора, Москва «Машиностроение», 1975 г.

8. Майоров В.С., Сафинов А.Н., Тарасенко В.М. Исследование структуры и свойств сплавов при лазерной обработке и разработка технологии упрачнения промышленных изделий // Применение лазеров в народном хозяйстве. 1987 г.

9. Панченко  П.Я., Васильцов В.В., Голубев В.С., Грезев А.Н., Корабертов А.А., Дубров В.Д.  Лазерные технологии обработки материалов, создаваемые в ИПЛИТ РАН.

10. Чичинадзе А.В. Основы трибологии. Москва. Машиностроение, 2001 г.