Лазерная термическая обработка

Лазерная термическая обработка (ЛТО) также применяется для поверхностного упрочнения деталей. Лазерная технология обеспечивает повышение производительности труда, точности и качества обработки, представляет практически безотходную технологию, удовлетворяющую требованиям по экологической защите окружающей среды.

Лазеры — оптические квантовые генераторы (ОКГ), позволяющие получать электромагнитные излучения чрезвычайно высокой концентрации энергии. Длина волн, генерируемых ОКГ, находится в световом диапазоне от ультрафиолетовой области спектра до инфракрасной (α = 0,1 – 70 мкм). Лазерное излучение распространяется очень узким пучком и характеризуется высокой концентрацией энергии. Источниками генерируемой энергии служат твёрдые тела (рубины, алюминиевые граниты, иттрий, стёкла) и газы (He, Ar, Ne, CO₂).

Применение лазеров для термической обработки основано на преобразовании световой энергии в тепловую. В основу работы лазеров положено усиление электромагнитных колебаний счёт индуцированного излучения атомов. Высокая концентрация энергии в световом потоке ОКГ позволяет нагреть поверхность до температурного диапазона термообработки за очень короткое время.

Глубина упрочнённого слоя при нагреве на СO₂-лазере (при мощности 5 кВт) колеблется от 0,3 до 1,0 мм, а на импульсном лазере — 0,1 – 0,15 мм.

Механизм ЛТО заключается в фазовом превращении материала после его скоростного нагрева до температур выше температур фазовой перекристаллизации (вплоть до температур плавления) с последующим быстрым охлаждением обработанной зоны путём отвода теплоты за счёт теплопроводности материала изделия. Скорость охлаждения при температуре нагрева ниже температуры плавления составляет (5ºС/с, при кристаллизации из жидкого слоя — 106ºС/с (что в 10³ раз больше скорости обычной закалки).

ЛТО позволяет повысить твёрдость и износостойкость упрочняемых материалов, а также предел контактной выносливости σ_H и предел выносливости при изгибе σ_и. Твёрдость зависит от концентрации углерода и легирующих элементов в стали (при постоянном режиме обработки). Методом ЛТО хорошо упрочняют средне- и высоколегированные углеродистые и инструментальные стали. Стали с низким содержанием углерода и высокопрочные низколегированные стали лазерной термической обработкой упрочняются плохо. ЛТО практически не влияет на предел прочности σ_в и предел текучести σ_т сталей.

На сегодняшний день лазерная обработка считается перспективным методом поверхностного упрочнения изделий сложной формы, работающих в условиях износа и усталостного нагружения.

Лазерная химико-термическая обработка

Насыщение легирующими элементами при лазерной химико-термической обработке (ЛХТО) происходит путём диффузии и массопереноса в твёрдой фазе, из плазмы, и жидкой фазы, при этом возможно конвективное и чисто механическое перемещение расплава в зоне воздействия лазерного импульса.

При ЛХТО на поверхность изделия различными способами предварительно наносят легирующие элементы. Наибольшее распространение среди способов нанесения легирующих элементов получили: 1) накатка фольги из легирующего материала; 2) электролитическое или химическое осаждение; 3) напыление; 4) электроискровое легирование; 5) нанесение порошков или обмазок. ЛХТО обычно осуществляется в режиме расплавления.

Свойства зоны легирования зависят от концентрации легирующих элементов и получения фаз различной степени стабильности и дисперсности, образующихся в процессе охлаждения. Строение и состав зоны термического влияния определяются режимом лазерного облучения: плотностью мощности излучения, временем его действия, числом импульсов, а также концентрацией легирующих компонентов в обмазке.

В настоящее время получены положительные результаты по цементации, азотированию, борированию и диффузионной металлизации железа и стали, а также металлов, не имеющих полиморфных превращений (Al, Ni, Cu и др.).

При цементации железа образуется двухслойная зона, состоящая из белого слаботравящегося слоя с равномерной твёрдостью HV1400 и расположенного за ним слоя с микротвёрдостью HV1000.

Диффузионная металлизация железа возможна при легировании различными металлами. Однако повышение твёрдости достигается только при растворении ванадия (V), ниобия (Nb), титана (Ti) и вольфрама (W).

Высокая износостойкость и кавитационная стойкость получены при лазерном азотировании из обмазок на стали 38Х2МЮА и 15ХМФ.

После лазерного борирования зона термического воздействия имеет твёрдость в зависимости от режима обработки HV1100 – 2100. При таком упрочнении достигается высокое сопротивление изнашиванию при различных схемах приложения нагрузки и различных условиях трения. Легирование бором (B) снижает коэффициент трения материала, повышает его износостойкость.

Тема №6 Цветные металлы и их сплавы. Неметаллические материалы