Full Text

Одним из способов повышения эксплуатационных свойств порошковых псевдосплавов является варьирование массового соотношения компонентов (компонентами исследуемого материала являются железо, графит, медь) или введение различных добавок [1-6]. Целью настоящей работы является улучшение характеристик псевдосплавного порошкового материала ЖГр1Д15 путем разработки научно-технологических рекомендаций по выбору режимов лазерной термической обработки (далее - ЛТО) с целью получения требуемых геометрических и прочностных характеристик обработанного поверхностного слоя. Типичным режимом термообработки порошкового псевдосплава сталь-медь типа ЖГр1Д15 является закалка от температуры 780 °С. При этом достигается твердость 45 HRC [7]. Повышение температуры закалки приводит к снижению твердости из-за образования остаточного аустенита. При скоростных поверхностных методах термообработки, таких как лазерная закалка, возможно достижение более высоких значений твердости, а оптимальные режимы закалки обычно подбирают экспериментально для каждого материала и типа лазера. Анализ литературы показывает, что наиболее значимыми параметрами, оказывающими влияние на процессы, протекающие при лазерной термической обработке материалов, полученных традиционными методами (литье, прокат и т.д), и на свойства обработанных материалов, являются мощность лазера, плотность мощности лазерного излучения и скорость перемещения лазера. Важное значение также имеют вид распределения мощности и форма пучка лазера (круглая или прямоугольная), длина волны и тип лазера, шероховатость поверхности, свойства и структура обрабатываемого материала [8-15]. Несмотря на значительное количество работ по лазерной термообработке материалов, ее влияние на отдельные классы материалов, такие, например, как псевдосплавы сталь-медь, получаемые методами порошковой металлургии, практически не изучалось. Работы по ЛТО порошковых сталей обычно имеют цель снизить пористость приповерхностных слоев обрабатываемых изделий оплавлением или упрочнить поверхность наплавкой износостойких составов [16]. Кроме того, для развития практических применений этой технологии в машиностроении необходимо проведение исследований и на более сложных по геометрии объектах. Исследуемый материал - ЖГрД15, его химический состав: 1 % С, 15 % Cu, остальное железо. Часть образцов представляла собой детали (направляющие аппараты) ступеней погружных многоступенчатых насосов производства ЗАО «Новомет-Пермь», изготовленные методом порошковой металлургии. Модельные образцы того же состава и структуры имели форму и размеры, имитирующие форму и размеры кольцевых выступов на верхних дисках направляющих аппаратов, которые вместе с шайбами рабочих колес образуют пару трения осевых подшипников ступени. Модельные образцы имели вид кольцевых выступов шириной 4,5 мм, внешним диаметром 49 мм и высотой ~2,5 мм, выполненных на диске толщиной 2,5 мм из того же материала. Заготовки образцов получены традиционными методами порошковой металлургии: прессованием смеси порошков железа и графита и спеканием в атмосфере диссоциированного аммиака с одновременной пропиткой медью, ее содержание, определенное на приборе РЭМ-100У с рентгеноспектральным микроанализатором, составило 14,2 мас. %. Структура образцов состоит в основном из пластинчатого перлита различной дисперсности, включений меди, небольшого количества феррита. Твердость материала после спекания составляет 70-100 HRB, микротвердость обычно в пределах 250-300 HV. Кольцевые выступы на образцах для ЛТО получены токарной обработкой предварительно спеченных заготовок. Для лазерной термической обработки применяли систему OPTOMEC LENS 850-R с волоконным лазером YLR-1000 IPG Photonics с пятном круглого сечения и гауссовым распределением мощности. Обработка проводилась в среде высокочистого аргона с содержанием кислорода до 0,001 % по объему. Выбор параметров лазерной обработки проводили с учетом данных работ [17-19]. При планировании эксперимента задавали следующие параметры: мощность лазера P, плотность мощности S = pd2, где d - диаметр пятна лазерного пучка в месте падения на обрабатываемую поверхность, и скорость перемещения лазерного пучка по поверхности V. Размер пятна регулировали изменением расстояния от фокальной плоскости лазера до обрабатываемой поверхности. Расчет характеристик лазерного луча проводим по ГОСТу[5]. Образцы после обработки лазерным излучением разрезали перпендикулярно поверхности образца на проволочно-вырезном электроэрозионном станке Electronica EcoCut и исследовали с поверхности и по глубине обработанного слоя. После получения образца небходимого размера и профиля его обрабатывали на шкурках с различной дисперсностью абразива и полировали на сукне с добавкой алмазной полировальной пасты. Микроструктуру наплавленного слоя выявляли травлением в 4%-ном растворе азотной или пикриновой кислоты. Полученную структуру исследовали на микроскопе Olimpus GX-51 при увеличении ´50-1000. Твердость с поверхности и по глубине наплавленного слоя измеряли на автоматическом микротвердомере Durascan 70 при нагрузке 50 г с шагом 50 мкм по линии, перпендикулярной поверхности образца в середине лазерной дорожки. В случае попадания планируемого отпечатка на включения меди или видимый с поверхности дефект точку индентации смещали в сторону. Подготовку поверхности образцов для измерения твердости проводили так же, как и для металлографического анализа. Количество замеров делали достаточное для проведения статистической обработки результатов. Определяли среднее арифметическое и среднее квадратическое отклонение. Режимы и результаты ЛТО приведены в таблице. Средние значения микротвердости поверхностного слоя на глубине до 350 мкм колеблются в пределах 765-934 HV, значения глубины слоя с высокой микротвердостью - в пределах 0,34-1,25 мм. На рис. 1, а приведена микроструктура исследуемого материала после обработки лазером по режиму W = 1 кВт, W/S = 8 кВт/см2, d = 3,99 мм, v = 12 мм/с (опыт № 11). Твердость на поверхности кольцевого выступа, измеренная по методу Роквелла, составляет 55,5 HRC. Условия проведения режимов лазерной обработки и результаты Номер опыта P, кВт W/S *, квт/см2 d, мм V, м/мин Lпл, мкм мм мм HV** 1 0,9 16 2,68 0,72 - 0,94 764 2 0,9 8 3,79 0,6 - 1,1 760 3 0,8 16 2,52 0,6 - 0,64 0,83 894 4 0,8 8 3,57 0,72 - 0,91 811 5 0,7 16 2,36 0,72 - 0,62 928 6 0,7 8 3,34 0,6 - 0,69 934 7 0,6 16 2,19 0,6 - 0,34 854 8 0,6 8 3,09 0,72 - 0,77 883 9 1,0 12 3,2 0,72 139 0,92 0,98 807 10 1,0 12 3,2 0,48 287 1,21 1,36 765 11 1,0 8 3,99 0,72 90 1,02 0,96 810 12 1,0 8 3,99 0,48 170 1,25 1,35 800 Примечание. Lпл - зона полного оплавления; - глубина слоя с микротвердостью выше, чем 700 HV; - глубина до границы с перлитной структурой; ** - средняя величина микротвердости по замерам в диапазоне 0-350 мкм. а б Рис. 1. Структура и микротвердость поверхностного слоя (а, б) и вид поверхности псевдосплава сталь-медь (в) после обработки лазером по режиму № 11 P = 1 кВт, P/S = 8 кВт/см2, d = 3,99 мм, V = 0,72 м/мин. Твердость 55,5 HRC в По результатам, приведенным в таблице, явно просматривается обратно пропорциональная зависимость между микротвердостью и глубиной упрочненной зоны (рис. 2). y = 623,78x2 - 1426,7x + 1590,8 R2 = 0,9009 700 800 900 1000 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 L, мм Рис. 2. Аппроксимация полиномом второй степени зависимости средней микротвердости поверхностного слоя HV от глубины упрочненной зоны L Полином второй степени достаточно точно описывает полученную зависимость, на это указывает коэффициент детерминации R2. На основании проведенных исследований и полученной зависимости разработана комплексная номограмма (рис. 3) для выбора режимов ЛТО порошкового псевдосплава ЖГр1Д15. Для выявления взаимосвязи между свойствами закаленного слоя и режимами ЛТО применен интегральный критерий [20], объединяющий мощность P, диаметр d и скорость V перемещения лазерного луча: . Номограмма позволяет выбрать такие параметры обработанной поверхности, как среднюю микротвердость на глубине до 350 мкм и глубину зоны упрочнения. Назначая указанные параметры и задаваясь плотностью мощности 8 или 16 кВт/см2, можно определить мощность лазера, диаметр и скорость перемещения лазерного луча, которые обеспечивают заданные характеристики обработанного слоя. Проведенные экспериментальные исследования показали адекватность разработанной методики.

About the authors

E. A Morozov

Perm National Research Polytechnic University

S. A Oglezneva

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 73

PDF (Russian) - 24

Refbacks

• There are currently no refbacks.