ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Описание к листку № 51-161-99

Многие пары трения имеют ограниченный срок службы. Для его повышения применяют известные методы поверхностного термического упрочнения: обработку токами высокой частоты, азотирование, цементацию и т.п. Недостатки подобных методов упрочнения: небходимость нагрева всей детали или ее части; коробление детали после нагрева и необходимость дополнительных операций по шлифованию посадочных мест; высокая энергоемкость и загазованность технологических операций; длительность и высокая трудоемкость технологического цикла, особенно при обработке деталей в печах; недоступность упрочнения отдельных мест в деталях сложной конфигурации; ограниченная возможность работы с деталями из чугуна.

В последнее время получает распространение лазерное поверхностное упрочнение (лазерная термообработка) рабочих участков деталей из средне- и высокоуглеродистых сталей и чугунов; последние, как известно, содержат более 2% углерода. Упрочненные лазером поверхности представляют собой сверхзакаленные зоны аномально высокой твердости, особой кристаллической структуры, повышенной механической, коррозионной и тепловой стойкости. Обычно лазером обрабатывают лишь рабочие участки детали. В этом случае деталь не прогревается на всю глубину, поэтому сохраняются ее геометрическая форма и шероховатость обработанных поверхностей. Для лазерной обработки характерны низкая энергоемкость и экологическая чистота. Износостойкость упрочненного лазером материала существенно зависит от содержания в нем углерода. Если в стали его 0,1; 0,4; 0,75% износостойкость повышается в среднем соответственно на 130, 250, 450%. Вследствие этого перспективно упрочнение не только стали, но и чугуна.

Проведены экспериментальные исследования по лазерному упрочнению цилиндровых втулок буровых насосов, работающих с абразивосодержащими и агрессивными буровыми растворами при температуре до 150°С и давлении до 25 Мпа, а также лезвий рабочих органов (лап) культиваторов для поверхностной обработки почвы. Детали были изготовлены из высокоуглеродистых сталей: цилиндровые втулки из стали 70, лапы культиватора - из стали 65Г. Мощность лазерной установки составляла всего 1 кВт, в качестве рабочего тела лазера использовали углекислый газ. Скорость лазерной обработки после закалки и нормализации стали изменяли. Эффективность упрочнения проверяли на образцах с помощью стандартной машины трения, а образцов из стали 65Г, взаимодействующих с почвой, - на специальной установке (ИЛ № 348-95 Волгоградского ЦНТИ).

При одном проходе лазерного луча на поверхности образуется дорожка шириной 0,8-2,0 мм и глубиной 0,3-0,9 мм, зона термического влияния распространяется на большую глубину. Можно получить и сплошную зону упрочнения; характеристика зоны зависит от скорости обработки. При мощности лазерного упрочнения 0,7 кВт и фокусном расстоянии 300 мм оптимальная скорость обработки составляет 10,7 мм/с. В этом режиме для стали 70 стабильно обеспечивается глубина упрочненного слоя 0,4 мм и среднее значение микротвердости 11300 Мпа. Исследовали влияние предварительной термической обработки стали на последующую лазерную обработку. Установлено, что традиционная термообработка, предшествующая лазерной, не влияет на результаты лазерного упрочнения. Это означает, что лазерное упрочнение с одинаковым результатом можно проводить как на предварительно закаленных, так и на «сырых» деталях.

Сравнительные ускоренные испытания деталей из стали 70 проводили на образцах: нормализованных; закаленных и отпущенных на твердость hrc 60; закаленных до hrc 60 и подвергнутых лазерному упрочнению по оптимальному режиму; Термообработанных по девяти режимам на твердость по hrc в диапазоне 22-60 и подвергнутых лазерной обработке; упрочненных лазером без предварительной термообработки. Установлено, что износостойкость образцов из стали 70, подвергнутых лазерному упрочнению, в 3,5 раза выше износостойкости образцов, закаленных традиционными методами, в 9,5 раза выше нормализованных. Различные режимы предварительной термообработки, предшествующей лазерной, или отсутствие термообработки перед лазерным упрочнением не изменили этой закономерности. При ускоренных испытаниях образцов из стали 65Г для рабочих органов культиваторов (испытания проводили в специальной сухой среде из песка, глины и цемента) износостойкость повышается в 1,7-1,9 раза по сравнению с образцами после обычной термообработки на hrc 45.