Лазерная обработка поверхностей—резерв повышения качества деталей машин

 

Федоров В.П. , Говоров И.В. , Чемодуров А.Н. , Новик А.Г.

(БГТУ, г.Брянск, РФ)

 

В любой отрасли промышленности надежность и долговечность машин в значительной степени зависит от качества деталей, которое формируется на каждой стадии их изготовления.

Оно во многом определяется выбором материалов, от которого зависит технологическая возможность  их использования, а также  надежность работы в заданных условиях.

Качество контактирующих поверхностей деталей машин является одним из определяющих факторов обеспечения требуемых эксплуатационных свойств их соединений, в частности износостойкости и контактной жесткости.

Качество поверхности, которое характеризуется гаммой показателей геометрических и физико- механических свойств, формируется в ходе технологического процесса изготовления детали. Оно зависит как от маршрута (технологическая наследственность), так и от условий обработки на конкретных операциях, каждая из которых имеет свой "технологический почерк".

Сегодня наряду с ранее известными технологиями повышения качества деталей машин широко используются физические методы обработки. Одним из таких методов является лазерная обработка, которая обладает высокой эффективностью и гибкостью управления. Лазерный луч отличается высокой плотностью энергии. Быстрый теплоотвод  в глубь металла приводит к возникновению закалочных структур в поверхностном слое. Лазерный луч легко проникает в труднодоступные места, включая внутренние поверхности полых валов и отверстий. Происходит упрочнение тонкого поверхностного слоя.

Часто применяют лазерную обработку в комбинации с другими методами, что дает возможность получить качественно новые свойства поверхностного слоя. Так, в результате лазерной закалки достигаются высокие твердость поверхности, дисперсность структуры, а также уменьшение коэффициента трения и увеличение несущей способности поверхности.

После обработки непрерывным лазером заметно увеличивается износостойкость чугунов и алюминиевых сплавов в условиях трения скольжения. Таким образом лазерная обработка заготовок из сталей и чугунов значительно увеличивает износостойкость. Так в условиях трения скольжения стали 45 по твердому сплаву коэффициент трения после лазерной закалки непрерывным лазером уменьшается на 10% по сравнению с коэффициентом трения при нормальном или улучшенном состоянии.

Для упрочнения инструментов применяется лазерная закалка импульсным излучением. Эффективна обработка боковых поверхностей вырубных пуансонов, так как в этом случае упрочненный слой сохраняется после многократных переточек, стойкость пуансонов  возрастает в 2-5раз. При обработке фрез (из 8Х6ВФ, РФ1, Р6М5 и др.) лучом лазера их стойкость возрастает в 1.5-2раза. Упрочнение режущего инструмента локализовано в режущих кромках.

В ряде случаев лазерное термоупрочнение приводит к повышению теплостойкости.

Лазерное воздействие на специально нанесенные материалы используется для получения широкого спектра поверхностных покрытий. Они обладают высокими свойствами и создаются различными видами лазерной обработки: термической, глазурованием, аморфизацией, ударным упрочнением, легированием и наплавкой. Для повышения твердости углеродистых сталей целесообразно проводить лазерную цементацию. Для увеличения твердости и износостойкости титана, циркония, гафния и сплавов на их основе используется лазерное газовое азотирование. Лазерное силицирование приводит  кроме повышения износостойкости  к увеличению теплостойкости и коррозийной стойкости сталей.

В отличие от цементации и азотирования при борировании в структуре отсутствует остаточный аустенит, что обеспечивает высокие твердость и износостойкость. Лазерное легирование чугуна и стали хромом, приводит к увеличению коррозийной стойкости при одновременном повышении ударной вязкости и износостойкости. Возможно легирование цветных металлов и сплавов.

Лазерное легирование сталей У10, 45, ШХ 15 и титановых сплавов соединением MoS₂ обеспечивает повышение их износостойкости в 2-5 раз.

Одним  из способов улучшения свойств напыленных покрытий, связанных с увеличением прочности сцепления с основой и повышением плотности напыленного материала, является их оплавление, которое осуществляется высококонцентрированными источниками энергии, в частности  излучением СО₂-лазером.

Структура оплавленных лазером слоев характеризуется чрезвычайной дисперсностью, отсутствием окисных включений и пор.

Содержание легирующих элементов в оплавленных участках по результатам микрорентгеноспектрального анализа мало отличается от их содержания в исходном порошке. Лазерная обработка обеспечивает кратковременное расплавление напыленного слоя и последующее охлаждение с высокими скоростями. Это способствуют сохранению легирующих элементов, содержащихся в предварительно нанесенных напылением покрытиях, и их равномерному распределению в объеме наплавки.

Для наиболее тяжелонагруженных локальных участков различных деталей, таких, как уплотнительные фаски клапанов газораспределительного механизма двигателей внутреннего сгорания, посадочные поверхности деталей газо- и водораспределительной арматуры, металлургического оборудования и др., может применяться газопорошковая лазерная наплавка, которая обеспечивает высокие свойства покрытий.

Исследования показали, что лазерная обработка поверхностей обладает высокой надежностью технологического обеспечения заданных параметров их качества и эксплуатационных свойств.