Структурно-фазові перетворення у сталях, конструкційних матеріалах при дії лазерного випромінювання для зміцнення. Закономірності зміни теплового стану масивних тіл, об’єктів типа клин. Вплив лазерного опромінювання на властивості матеріалів та виробів.
Аннотация к работе
Основними перевагами цього процесу є: можливість проведення селективного зміцнення; відсутність залишкових деформацій; можливість формування в металевих сплавах специфічних структур, що володіють високою зносостійкістю і твердістю; можливість керування геометричними розмірами зміцнених шарів. На сьогоднішній день виконана велика кількість теоретичних і експериментальних досліджень, присвячених вивченню фізико-хімічних процесів, що протікають у матеріалах при дії лазерного випромінювання. Зокрема, до таких виробів можна віднести різні інструменти і деталі машин, у яких робочі елементи мають форму клина з різними кутами загострення (ножі, різці, фрези, протяжки, довбаки, матриці і пуансони штампів і пресформ, лопатки газових турбін, відсічні крайки деталей гідроапаратури і таке інше. А саме, у залежності від хімічного складу і вихідного структурного стану матеріалу, кута загострення клина визначати умови лазерного опромінення, що забезпечували б одержання зміцненого шару з необхідними геометричними розмірами і найбільш сприятливою структурою. Вважаючи на те, що лазерне зміцнення на практиці принципово дозволяє суттєво, у 2-5 разів підвищити зносостійкість і надійність роботи таких інструментів та деталей, вирішення наведених вище питань є актуальним науковим завданням, важливим для розвитку промисловості України.Дослідження проводились на спеціально розроблених двох експериментальних технологічних комплексах на базі потужних СО2 лазерів типа “Латус-31” та “Комета-2”, оснащених приладами для вимірювання та контролю основних параметрів випромінювання-потужності, просторового розподілу потужності у вихідному та сфокусованому пучку, діаметра плями фокусування, поглинаючої здібності поверхонь, що опромінювались, пристроями для вимірювання температур нагрівання поверхневих шарів за допомогою хромель-алюмелевих термопар з діаметром електродів 0,15 мм. На першому етапі вивчались закономірності змінювання структури поверхневого шару масивних зразків у залежності від умов лазерного опромінення (l - довжина хвилі, Р,Р(x,y) - потужність випромінювання та її розподіл, d - діаметр плями фокусування) і визначались оптимальні. Розрахунком визначались відповідні оптимальній структурі характеристики теплового стану (температура (Тн), швидкість (Vн) і час нагрівання (тн) та охолодження (Vo). Для режиму обробки з потужністю випромінювання Р=1000 Вт, при швидкостях переміщення зразка V = 0,2; 0,4 і 0,6 м/хв і діаметрі плями фокусування d0=5 мм спостерігається оплавлення поверхневого шару. Фазовий аналіз зон лазерного впливу показав, що в поверхневому шарі зразків, оброблених у режимі Р = 1000 Вт, d0 = 5мм має місце a - твердий розчин, g-твердий розчин, карбіди швидкорізальної сталі Fe3W3C, карбід VC, оксид Fe3O4.У дисертації наведено нове вирішення наукового завдання формування за допомогою лазерного опромінення в поверхневому шарі клиноподібних елементів інструментів і деталей машин, виготовлених з вуглецевих і швидкорізальних сталей, зміцнених шарів зі структурами, які мають оптимальний комплекс властивостей і забезпечують гарантовану якість виробів. В обраній точці цієї області розраховуються характеристики нагрівання й охолодження матеріалу, які потім зіставляються з аналогічними характеристиками, установленими раніше для напівобмеженого масиву й у такий спосіб уточнюються умови, при яких забезпечується одержання шуканої структури в клині. Доведено, що оптимальна структура утвориться при лазерному поверхневому нагріванні стали Р6М5 у діапазоні температур 1280-1310°С, часу 0,3-0,35 с, Vo= 6?103°С/с, що відповідає режиму обробки випромінюванням СО2 лазери для напівнескінченного тіла-потужність випромінювання 1000Вт, діаметр плями фокусування-5мм, швидкість відносного руху-0.8 м/хв. Розроблено математичну модель процесу лазерного нагрівання виробів із клиноподібними робочими елементами, за допомогою якої виконаний його параметричний аналіз і встановлено, що на положення максимуму температури щодо ребра клина впливають потужність випромінювання Р, діаметр плями фокусування d0, кут загострення клина j1. швидкість переміщення теплового джерела V, величина зсуву максимуму інтенсивності лазерного пучка щодо крайки клина а*. При цьому неприпустимими режимами варто вважати ті, котрі обумовлюють наступні негативні ситуації: оплавлення власне крайки клину; оплавлення деякої зони, яка знаходиться в межах опроміненої поверхні, але розташована на видаленні від крайки; відрив зміцненої зони від крайки; структура зони лазерного нагрівання біля крайки клина не має заданих властивостей, тому що швидкість охолодження в зоні була нижче критичної для гартування.
План
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Вывод
У дисертації наведено нове вирішення наукового завдання формування за допомогою лазерного опромінення в поверхневому шарі клиноподібних елементів інструментів і деталей машин, виготовлених з вуглецевих і швидкорізальних сталей, зміцнених шарів зі структурами, які мають оптимальний комплекс властивостей і забезпечують гарантовану якість виробів.
Вперше розроблено і реалізовано оригінальний експериментально-теоретичний спосіб визначення оптимальних умов лазерного зміцнення клиноподібних елементів. Він включає два етапи. На першому - експериментально визначаються умови одержання шуканої структури в напівобмеженому тілі і теоретично установлюються відповідні характеристики його теплового стану. На другому - теоретично визначається область оптимальних режимів зміцнення клина. В обраній точці цієї області розраховуються характеристики нагрівання й охолодження матеріалу, які потім зіставляються з аналогічними характеристиками, установленими раніше для напівобмеженого масиву й у такий спосіб уточнюються умови, при яких забезпечується одержання шуканої структури в клині.
Установлено, що в залежності від режимів лазерного опромінення й обумовлених ними параметрів термічного циклу “нагрівання -охолодження” у швидкорізальній сталі утворяться різноманітні структури, які відрізняються ступенем дисперсності, співвідношенням мартенситної, аустенітної і карбідних фаз, мікротвердістю. Серед них оптимальною з точки зору опору абразивному зношуванню, ударним навантаженням, варто вважати високодисперсну структуру, яка має максимальну інтегральну мікротвердість (10,5-11,2 ГПА) і утримує у своєму складі тверді і пластичні фази, відповідно високовуглецевий з підвищеним ступенем тетрагональності, розорієнтований у просторі мартенсит, (30-35%) дисперсних карбідів типу Fe3W3C, VC і (20 - 22%) високолегованого з фазовим наклепом залишкового аустеніту.
Доведено, що оптимальна структура утвориться при лазерному поверхневому нагріванні стали Р6М5 у діапазоні температур 1280-1310°С, часу 0,3- 0,35 с, Vo= 6?103°С/с, що відповідає режиму обробки випромінюванням СО2 лазери для напівнескінченного тіла-потужність випромінювання 1000Вт, діаметр плями фокусування -5мм, швидкість відносного руху-0.8 м/хв. Збільшення чи зменшення температури, як і часу нагрівання, за межами зазначених діапазонів, за рахунок зміни діаметра плями фокусування чи швидкості обробки, приводить до зниження мікротвердості (при V=0,5м/хв-Hm=8,3ГПА; V=0,2м/хв-Hm=7,5ГПА; V=1,0м/хв-Hm=9,3ГПА; V=1,5м/хв-Hm=8,4 ГПА), що обумовлено з однієї сторони розчиненням карбідних фаз, збільшенням стабільності і підвищенням вмісту залишкового аустеніту, з іншого боку - ефектами відпустки і неповного загартування.
Розроблено математичну модель процесу лазерного нагрівання виробів із клиноподібними робочими елементами, за допомогою якої виконаний його параметричний аналіз і встановлено, що на положення максимуму температури щодо ребра клина впливають потужність випромінювання Р, діаметр плями фокусування d0, кут загострення клина j1. швидкість переміщення теплового джерела V, величина зсуву максимуму інтенсивності лазерного пучка щодо крайки клина а*. При цьому найбільш сильно впливають два останніх параметри. Тому керувати тепловим станом клина доцільно змінюючи швидкість обробки V і величину зсуву а*, при стабільних значеннях інших параметрів.
Показано, що оптимізацію процесу лазерного нагрівання клина доцільно здійснювати шляхом находження за допомогою чисельного моделювання граничних значень керуючих параметрів V і а*, які розмежовують області припустимих і неприпустимих режимів опромінення. При цьому неприпустимими режимами варто вважати ті, котрі обумовлюють наступні негативні ситуації: оплавлення власне крайки клину; оплавлення деякої зони, яка знаходиться в межах опроміненої поверхні, але розташована на видаленні від крайки; відрив зміцненої зони від крайки; структура зони лазерного нагрівання біля крайки клина не має заданих властивостей, тому що швидкість охолодження в зоні була нижче критичної для гартування. Критичні значення V і а*, що відповідають цим негативним ситуаціям у сукупності і визначають область оптимальних значень технологічних параметрів.
Установлено, що в поверхневому шарі гострих крайок інструментів, виготовлених із сталі Р6М5 і оброблених при оптимальних умовах опромінення, формуються стискаючі залишкові напруги на рівні 1370 МПА. У зоні відпустки напруги змінюють свій знак і переходять у розтягуючи, плавно зменшуючись у міру видалення від ребра клина.
Структура зміцненого шару сталі, сформована при лазерному опроміненні і яка має оптимальний фазовий склад, забезпечує підвищення зносостійкості зміцнених зразків щодо стандартних в умовах сухого тертя при навантаженні 50 Н и швидкостях ковзання 2,5 м/с для сталі У8 у 1,6-2 рази, для сталі Р6М5 у 2,5-3 рази. При цьому має місце зниження ~ у 2 рази коефіцієнта тертя, підвищення рівномірність процесу зношування, відсутність налипання продуктів зносу на поверхні тертя, відсутність виривів і схоплювання, утворення в приповерхневих шарах поверхонь тертя характерної текстури, орієнтованої в напрямку ковзання.
Результати виконаних досліджень використані при лазерному зміцненні дискових довбяків, виготовлених зі сталі Р6М5, стійкістні виробування яких при нарізуванні зубчастих коліс зі сталі 15ХГН2ТА знайшли підвищення зносостійкості в 2-2,5 рази. Оптимально обрані режими лазерної обробки забезпечують одержання таких розмірів зміцненого шару (на поверхні клина, що опромінюється - 4-5мм, на другій стороні - 1-1,5мм), які при раціонально обраній технологічній схемі зміцнення, забезпечують можливість багаторазового переточування інструментів до повного зносу. Випробування зміцнених матриць вирубних і витяжних штампів в умовах виробництва заводу “Хіммаш” (м. Коростень) знайшли підвищення стійкості штампів у 2-3 рази. При цьому була доведена доцільність застосування для виготовлення деталей штампів замість дорогих твердих сплавів і високолегованої сталі Х12М вуглецевої сталі У8 з лазерним зміцненням.
Список литературы
Основні положення дисертації опубліковано в таких роботах: Головко Л.Ф., Дувейк Джавад, Орешник В.И. Обеспечение качества слоев, полученных лазерной наплавкой или упрочняющей обработкой. Автоматическая сварка. №12, 2001,с.47-52.
Автором запропоновано способ керування розподілом інтенсивності лазерного випромінювання у площині фокусування та методику вимірювання просторового розподілу лазерного випромінювання при поверхневій обробці..
Головко Л.Ф., Роман В.В., Дувейк Джавад. Вплив просторово-часового розподілу лазерного випромінювання на тепловий стан тіла, що опромінюється. Наукові вісті, НТУУ “КПІ” №1, 2002, с. 80-86.
Автором виконана адаптація математичної моделі процесу лазерного нагрівання масивних зразків, та проведені відповідні дослідження по встановленню звязків між режимами опромінювання та параметрами термічного процесу.
Головко Л.Ф., Кіндрачук М.В., Джавад Дувейк, Постернак В.В. Особливості лазерного зміцнення гострозаточених робочих крайок інструментів та деталей машин. Металознавство та обробка металів, №3, 2002, с.45-50.
Здобувачем запропоновано алгоритм визначення оптимальних режимів лазерного зміцнення виробів з клиноподібними робочими елементами, виконані комплексні дослідження структурно-фазових перетворень, які відбуваються у швидкоріжучих сталях при різних умовах опромінювання, виявлено оптимальну структуру, визначено за допомогою металографічного та рентгеноструктурного аналізу її фазовий склад.
Головко Л.Ф., Кіндрачук М.В., Джавад Дувейк. Вплив лазерної обробки на формування структури та мікротвердість інструментальних сталей.Вісник НТУУ “КПІ”. Приладобудування. №26, 2003, с.81-88.
Дисертантом виконана лазерна обробка зразків із швидкорізальної сталі, металографічний аналіз, вимірювання мікротвердості, досліджено фазовий склад опромінених зон.
Коваленко В.С., Головко Л.Ф., Дувейк Джавад. Проблемы лазерного упрочнения режущих инструментов. Труды Института сверхтвердых материалов НАН Украины, 2001, с.316-331.
Дисертантом виконані дослідження напруженого стану та триботехнічних характеристик поверхневих шарів швидкорізальних сталей після лазерної обробки, апробована методика оптимізації режимів лазерного опромінювання, проведені стійкостні випробування реальних зміцнених інструментів.
Головко Л.Ф., Кіндрачук М.В., Дувейк Джавад. Підвищення стійкості інструментів зі сталі Р6М5 шляхом лазерного зміцнення. В кн. Нові процеси і їх моделі в ресурсо- та енергозберігаючих технологіях. Матеріали міжнародної науково - технічної конференції. Одеса, 25-26 вересня, 2003, с.23-27.
Автором виконані дослідження стійкості інструментів, виготовлених із швидкорізальних сталей і зміцнених лазерним опроміненням.
Дувейк Джавад, Дідковська Ю.А, Головко Л.Ф. Лазерне зміцнення різальних інструментів. Машинобудівник-2002. Тези доповідей науково-технічної конференції студентів і молодих вчених 20-24 травня. Київ, 2002, с.47-48.
Здобувачем запропоновано новий спосіб визначення оптимальних режимів лазерного зміцнення інструментів та деталей з клиноподібними робочими елементами виконана його апробація на реальних виробах.