Лазерная закалка
+7 8332 64-62-54
Ассоциация «ВЛИТЦ»
оказывает услуги лазерной закалки (термоупрочнения) поверхности металла.
Проведенные исследования показали, что лазерная закалка сталей приводит к образованию мелкозернистых структур с твердостью до 1000 HV в то время, как основная масса металла остается на уровне твёрдости, прочности и пластичности основного металла.
Лазерная закалка
Механизм лазерного термоупрочнения сталей основан на высокоскоростном структурно-фазовом превращении поверхностного слоя стали при нагреве и охлаждении и получении мелкодисперсных закалочных структур.
В большинстве случаев лазерное поверхностное термоупрочнение реализуется при атмосферных условиях на воздухе, что обусловлено простотой технологического исполнения и невысокими требованиями, предъявляемыми к параметрам шероховатости и окисленности упрочненной поверхности.
В тех случаях, когда окисление поверхности является недопустимым, при лазерном термоупрочнении с оплавлением поверхности лазерное термоупрочнение необходимо производить в атмосфере инертных газов или вакууме, или необходимо наносить на поверхность поглощающее лазерное излучение покрытие, предохраняющее поверхность от окисления, что является нетехнологичным и увеличивает себестоимость выпускаемой продукции.
При лазерном воздействии на материал в атмосфере активных газов, например, азота, на его поверхности могут образовываться химические соединения, свойства которых могут существенно отличаться от упрочняемого материала. Газовая среда инициирует создание новых лазерных технологических процессов упрочнения поверхности и изменения физико-химических свойств поверхности.
Способ лазерной закалки поверхностных слоев обладает рядом технологических преимуществ по сравнению с традиционными технологиями объемной термической, химико-термической обработки и термоупрочнения локальными поверхностными источниками энергии, которые проявляются в следующих свойствах
Снижение энергозатрат
Минимальные остаточные деформации, позволяющие сохранить геометрические размеры детали в пределах поля допуска
Повышение твердости закаленного слоя на 2…4 HRC больше, по сравнению с традиционными технологиями поверхностной закалки
Повышение износостойкости и задиростойкости
Mинимальное тепловложение в обрабатываемую деталь
Локальность воздействия на упрочняемую поверхность
Отсутствие охлаждающих жидкостей
Легко поддается автоматизации (роботизации)
Многократно снижается длительность термического цикла закалки
В отличие от ХТО отпадает необходимость в технологической операции нанесения и снятия изолирующих покрытий
Промышленность производит разнообразные стали, которые отличаются по своему функциональному назначению и химическому составу. Разнообразие марок сталей, необходимых для машиностроения, связано с тем, что машины и их компоненты работают в различных условиях эксплуатации: при высоких и низких температурах, в агрессивной среде, при трении и ударных нагрузках и т. д.
Для придания поверхностному слою сталей необходимых свойств, которые соответствуют требованиям эксплуатации, в их состав добавляются легирующие элементы в различных количествах и комбинациях. Кроме того, применяется поверхностное упрочнение.
Хотя поверхностные методы закалки становятся всё более популярными, объёмная термообработка в печах остаётся основным методом в промышленности.
По оценкам экспертов, на начало XXI века в России объёмная термообработка составляет около 70% от общего объёма, а поверхностная термообработка — около 30%. Из них:
закалка ТВЧ — 15%;
химико-термическая обработка — 12%;
обработка концентрированными потоками энергии (плазма, электронный луч, лазер) — около 3%.
Развитие производства увеличивает нагрузку на детали машин и механизмов, что приводит к их более быстрому износу и необходимости замены.
Локальное поверхностное упрочнение деталей машин и инструментов концентрированными источниками энергии направлено на повышение их износостойкости.
Термоупрочнение поверхностного слоя не только повышает износостойкость, но и улучшает механические и эксплуатационные свойства, такие как прочность, пластичность, выносливость, устойчивость к трещинам, тепло- и коррозионная стойкость, а также триботехнические свойства поверхности.
Эффект повышения износостойкости поверхности зависит от степени изменения механических свойств поверхностного слоя и характеристик концентрированных источников энергии, используемых для упрочнения.
Современные тенденции в проектировании и изготовлении деталей машин и инструментов основаны на том, что конструкционная прочность должна обеспечиваться за счёт основного металла, а сопротивление внешним воздействиям, таким как износ, тепловое и коррозионное воздействие, должно достигаться формированием поверхностного слоя с заданными эксплуатационными свойствами.
Эти свойства поверхностного слоя могут быть сформированы с помощью различных методов обработки поверхности, таких как поверхностное упрочнение, напыление покрытий, наплавка и другие.
На практике для достижения необходимых характеристик поверхностного слоя детали изготавливаются из высоколегированных сталей с добавлением вольфрама, молибдена, кобальта, никеля и других элементов, а затем подвергаются традиционной термообработке. Однако это часто экономически нецелесообразно.
Новые методы поверхностного упрочнения могут успешно решить эту задачу, позволяя заменить дорогостоящие легированные стали на более доступные конструкционные стали общего назначения.
Поверхностная термическая обработка является одним из самых распространённых, простых и экономичных способов упрочнения и повышения износостойкости сталей и сплавов в машиностроительных отраслях промышленности. К поверхностным методам относятся химико-термическая обработка, упрочнение локальными поверхностными источниками нагрева, газотермические методы напыления и наплавка поверхностных слоёв.
Наиболее экономичным из них является поверхностное термоупрочнение локальными источниками нагрева, такими как газопламенный, светолучевой, электродуговой, плазменный, индукционный и электроконтактный. Эти методы не требуют нагрева всей массы деталей, что значительно снижает энергозатраты, сокращает длительность технологического цикла и трудозатраты. В некоторых случаях можно достичь необходимых свойств поверхностного слоя без использования легирующих элементов, как это происходит при наплавке и напылении, что также уменьшает объём механической обработки.
Лазерное термоупрочнение может применяться как окончательная технологическая операция для придания сталям и сплавам необходимого комплекса механических свойств, обеспечивающих требуемые эксплуатационные характеристики детали, включая повышенную износостойкость поверхности.
Под поверхностной лазерной закалкой понимается термоупрочнение сталей с помощью высокоскоростного нагрева поверхностного слоя лучом лазера в интервале температур аустенизации с последующим самопроизвольным или контролируемым охлаждением за счёт теплопроводности упрочняемого металла и теплоёмкости детали без использования охлаждающих сред со скоростью, превышающей критическую.
Внешний вид дорожек после лазерно-плазменного упрочнения образца диска колеса
Технологические возможности лазерного термоупрочнения открывают возможности применить данный процесс в качестве финишной операции без последующей механической обработки.
Рис.1. Внешний вид дорожек поверхности после лазерно-плазменного упрочнения образца – свидетеля диска.
Внешний вид зоны лазерно-плазменного упрочнения диска вокруг отверстия крепления показан на рис. 2
Рис.2 Внешний вид упрочненной поверхности
