2.1. Сущность процесса лазерного термоупрочнения.

Термическое упрочнение материалов и сплавов лазерным излучением основано на локальном нагреве участка поверхности под воздействием излучения и последующем охлаждении этого поверхностного участка со сверхкритической скоростью в результате теплоотвода теплоты во внутренние слои металла.

Следует отметить, что основной целью лазерного термоупрочнения сталей, чугунов и цветных сплавов является повышение износостойкости деталей, работающих в условиях трения. В результате лазерной закалки достигаются высокая твердость поверхности, высокая дисперсность структуры, уменьшение коэффициента трения, увеличение несущей способности поверхностных слоев и другие параметры.

При лазерном термоупрочнении отдельные слои обрабатываемого участка прогреваются по глубине до различных температур, вследствие чего зона лазерного воздействия имеет слоистое строение. В зависимости от микроструктуры и микротвёрдости в сталях по глубине зоны лазерного воздействия различают три слоя.

Первый слой – зона оплавления, имеет место при закалке из расплавленного состояния. Как правило, зона оплавления имеет столбчатое строение с кристаллами, вытянутыми в направлении теплоотвода. Основная структурная составляющая – мартенсит, карбиды обычно растворяются. При оптимальных режимах закалки с расплавлением обезуглероживания не происходит, кратеры и шлаковые включения отсутствуют.

Второй слой – зона закалки из твёрдой фазы. Его нижняя граница определяется температурой нагрева до Ас₁. В этом случае наряду с полной закалкой происходит и неполная. По глубине данный слой характеризуется структурной неоднородностью. Ближе к поверхности имеются мартенсит и остаточный аустенит, полученные при охлаждении из гомогенного аустенита. Ближе к исходному металлу наряду с мартенситом имеются элементы исходной структуры: феррит в доэвтектоидной стали и цементит в заэвтектоидной.

Третий слой – переходная зона, в которой металл нагревается ниже точки Ас₁. Если сталь имеет исходное состояние после закалки или отпуска, то в результате лазерной обработки в этом слое образуется структуры отпуска – троостит или сорбит, характеризуемые пониженной микротвёрдостью.

2.2. Обрабатываемый материал – сталь 40х.

Сталь 40Х – конструкционная легированная сталь с содержанием углерода 0,4 % и менее 1,5% хрома. Трудно свариваемая, для получения качественных сварных соединений требуется дополнительные операции. Сталь 40Х склонна к отпускной хрупкости.

Теплофизические свойства обрабатываемого материала:

Температура плавления – 1500 ^оС;

Температура закалки – 860 ^оС;

Температура отпуска – 500 ^оС

Температура критических точек:

Ас₁ = 743 ^оС;

Ас₃( Аc_m) = 815 ^оС;

Аr₁ = 693 ^оС;

M_n = 325 ^оС;

Плотность – 7,82 г/см³;

Удельная теплоемкость – 0,17 кал/г∙град;

Коэффициент теплопроводности - 0,06 кал/см∙с∙град.

2.3. Расчёт параметров обработки

Для решения данной тепловой задачи используется модель мгновенного сосредо­точенного точечного источника тепла, выделившегося на поверхности полупространства (рис. 3.1).

Рис. 2.1. Схема мгновенного сосредо­точенного точечного источника тепла на поверхности полупространства

Процесс распространения теплоты Q мгновенного сосредо­точенного источника, выделившегося на поверхности полупространства в точке А (рис. 2.1), выражается следующим уравнением

, [5, стр. 81] (2.1)

где – величина тепла, выделяемого источником;

а – коэффициент температуропроводности материала детали;

с – удельная теплоёмкость;

- плотность материала;

– время, отсчитываемое от момента действия источника;

R - расстояние от точки приложения источника до точки А, в которой рассчитывается температура :

[5, стр. 81] (2.2)

Коэффициент температуропроводности материала детали :

[5, стр. 81] (2.3)

где – коэффициент теплопроводности материала детали

_{Зоны лазерного воздействия приведены на рис. 2.2.}

Рис. 2.2. Зоны проплавления, закалки и отпуска в поперечном разрезе слоя детали:

R₁ – зона проплавления.; R₂ – зона закалки; R₃–зона отпуска