Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Фрикционная поверхностная закалка сталей вращающимся инструментом. Учебное пособие
.pdf
1.1. Основные параметры локализованного теплового воздействия
1200
Температура T, °C
Время, с
Направление движения
инструмента
Направление движения
HAZ
HZ
d
н
d
HZ
Т
max
1000
800
А
С3
t
γ
А
R3
600
α
400
200
Т
нм
α
T
исх
0
н
t
н
охл
t
охл
0 10 20 30 40 50
Рис. 1.3. Температурно‑временные параметры термического цикла
поверхностной закалки:
T
— исходная температура материала; T
исх
AC3 и AR3 — критические точки; Tнм — температура начала мартенситного превращения
— максимальная температура нагрева;
max
Участок стальной поверхности под пятном нагрева в виде окружно‑
сти диаметром dн имеет вид «луковицы» с зонами, имеющими различ‑
ное структурное состояние по глубине от поверхности в зависимости
от теплового воздействия. Принятое обозначение зон в случае поверх‑
ностной закалки за два прохода инструмента приведено на рис. 1.4.
Рис. 1.4. Зоны микроструктурного состояния стали после поверхностной закалки:
HZ (Haredened zone) — зона упрочненного материала; HAZ (Heat affected zone) — зона тер‑
мического воздействия; TZ (Tempering zone) — зона отпущенного мартенсита; BMZ (Base
В зоне HZ происходит нагрев упрочняемого материала до темпера‑
туры выше критической точки AC3 и полная аустенизация. Материал
в этой зоне характеризуется максимальной твердостью. Температура
в зоне HAZ недостаточна для полной аустенизации и формирования
максимальной твердости материала. Из‑за перекрытия закаленных
инструмента
н
HZ
2
HAZ
2
material zone) — зона исходного материала
Текущий
проход
TZ
HAZ
Предшествующий
1
проход
1
BMZ
11
1. Локализованное тепловое воздействие и современные методы поверхностной закалки конструкционных сталей
зон при двухпроходной обработке неизбежно возникает тепловое вза‑
имодействие между предыдущей HZ1 и текущей HZ2 зонами воздей‑
ствия пятна нагрева, что обусловливает появление зон отпущенного
мартенсита TZ. Данное явление вызывает нежелательную неравно‑
мерность твердости поверхности вследствие размягчения ранее зака‑
ленного участка.
1.2. Современные методы поверхностной закалки участков
поверхностного слоя
Современными методами упрочнения участков поверхностей кон‑
струкционных материалов локализованным тепловым воздействием
являются лазерная, плазменная, электроконтактная и фрикционная
поверхностная закалка.
При поверхностной лазерной закалке локализованный нагрев реа‑
лизуется за счет воздействия на обрабатываемую поверхность сфоку‑
сированного лазерного светового пучка (рис. 1.5).
а б
Лазер
v
q
п
Рис. 1.5. Процесс лазерной закалки локализованной поверхности вала (а)
и его схема (б):
qп — плотность тепловой мощности, поглощаемой заготовкой; v — скорость линейного
перемещения лазера
Лазерная закалка является высокопроизводительным процессом
и подходит для обработки изделий различной конфигурации. В процес‑
се лазерной закалки широко применяются углекислотные CO2‑лазеры,
12
1.2. Современные методы поверхностной закалки участков поверхностного слоя
твердотельные Nd: YAG‑лазеры, а также диодные лазеры. Такие ла‑
зеры имеют выходную мощность порядка 1 кВт при площади генери‑
руемого луча 100 мм 2.
В работе [2] исследовано влияние мощности, длительности воздей‑
ствия и скорости движения луча импульсного лазера Nd: YAG на из‑
менение твердости по глубине поверхностного слоя. Установлено, что
при средней мощности лазера 300 Вт, ширине импульса 20 мс, диаме‑
тре теплового пятна 12 мм и скорости перемещения лазера 1,5 мм/с
микротвердость в тонком поверхностном слое стали марки AISI 420B
увеличивается с исходной 200 HV
до 441 HV
0,1
. При этом плотность
0,1
поглощенной мощности составляет 2,6 Вт/мм 2. Толщина упрочненно‑
го слоя может достигать 0,25 мм. Уменьшение диаметра лазерного пят‑
на до 3 мм увеличивает плотность тепловой мощности до 10,6 Вт/мм 2.
Влияние скорости сканирования на изменение микротвердости
по глубине поверхностного слоя приведено на рис. 1.6. При уменьше‑
нии скорости сканирования лазера с 4 до 1 мм/с наблюдается повыше‑
ние микротвердости от 410 до 490 HV
и увеличение глубины упроч‑
0,1
ненного слоя от 180 до 250 мкм.
600
500
400
300
Твердость HV0,1
200
100
0
50 100 150 200 250 300 350 400
Глубина, мкм
Рис. 1.6. Изменение микротвердости по глубине поверхностного слоя стали марки
AISI 420B в зависимости от скорости перемещения лазерного пятна [2]
1,0 мм/с
1,5 мм/с
2,0 мм/с
4,0 мм/с
В работе [3] установлено, что при лазерной закалке образцов из ста‑
ли марки 20Х3Н3МФБА с уменьшением скорости движения лазера
увеличивается толщина упрочненного слоя. При диаметре теплово‑
го пятна 3 мм, скорости сканирования луча 7 мм/с и мощности лазе‑
13
1. Локализованное тепловое воздействие и современные методы поверхностной закалки конструкционных сталей
ра 1100 Вт толщина упрочненного слоя на образцах достигает 0,38 мм.
Установленный факт подтверждает результаты ранее выполненных ра‑
бот А. Г. Григорьянца [4]. Действительно, уменьшение скорости дви‑
жения луча лазера и увеличение мощности излучения приводят к ро‑
сту геометрических размеров зон лазерного воздействия и уменьшению
скорости охлаждения. Следствием этого является увеличение размеров
зерен кристаллизовавшегося расплава и снижение микротвердости.
В работе [5] показано, что при лазерной закалке стали марки AISI
420 с мощностью лазера 350 Вт и скорости сканирования луча 30 мм/с
микротвердость на поверхности достигает величины 700 HV, вблизи
поверхности формируется мартенситная структура и общая глубина
упрочненного слоя составляет около 300 мкм. Однако снижение по‑
дачи до 15 мм/с приводит к расплавлению металла.
В работе [6] установлено, что при поверхностной закалке образца
стали марки AISI 1020 толщиной 5 мм с использованием диодного ла‑
зера мощностью 3 кВт температура материала поверхности между АС3
и точкой плавления достигается при обеспечении интенсивности по‑
глощенного образцом теплового потока 7…52 Вт/мм 2. Также показано,
что плотность тепловой мощности (удельная поглощенная мощность)
и микротвердость обрабатываемого материала изменяются от времени
воздействия (выдержки), а уменьшение толщины образца с 20 до 5 мм
значительно снижает упрочнение из‑за перегрева заготовки и ухудше‑
ния скорости охлаждения (рис. 1.7).
В работе [6] показано влияние мощности лазера на изменение микро‑
структуры в поверхностном слое образца стали марки AISI 1020 размером
150×80×35 мм. При мощности лазера 1,09 кВт и времени взаимодействия
2,3 с закалка не происходит. После термического воздействия фазовый
состав поверхностного слоя состоит из феррита и перлита (рис. 1.8).
В то же время при мощности лазера 1,68 кВт и аналогичном вре‑
мени взаимодействия 2,3 с формируется мартенсит (рис. 1.9, б).
На рис. 1.9 приведены микрофотографии структуры образца стали
марки AISI 1020 и показаны увеличенные виды закаленной зоны А,
переходной зоны В и базовой зоны С исходной структуры стали.
Характерной особенностью и недостатком лазерной закалки яв‑
ляется отражение части энергии луча qо от обрабатываемой поверх‑
ности, что приводит к значительному снижению коэффициента по‑
лезного действия процесса и требует использования лазеров высокой
мощности. Особенно остро данная проблема стоит при поверхност‑
14
1.2. Современные методы поверхностной закалки участков поверхностного слоя
4
400 HV
330 HV
260 HV
190 HV
120 HV
3
Время воздействия, с
1 2
0
а б
20
2
15
10
5
0
Плотность тепловой мощности, Вт/мм
4
400 HV
330 HV
260 HV
190 HV
120 HV
3
и временем воздействия при толщине заготовки 20 мм (а) и 5 мм (б) [6]
Время воздействия, с
1 2
0
20
2
15
10
5
0
Плотность тепловой мощности, Вт/мм
Рис. 1.7. Взаимосвязь удельной поглощенной мощности с микротвердостью поверхностного слоя стали марки AISI 1020
15
1. Локализованное тепловое воздействие и современные методы поверхностной закалки конструкционных сталей
ной закалке сталей. Так, например, полированная стальная поверх‑
ность способна отразить 90…98 % перпендикулярно падающего луча
углекислотного CO2‑лазера [1].
а б
Рис. 1.8. Микрофотографии структуры образца стали марки AISI 1020 после по‑
верхностной закалки лазером мощностью 1,09 кВт при времени взаимодействия
2,3 с (а) и увеличенный вид области А с ферритоперлитной структурой (б) [6]
а
б
в
Рис. 1.9. Микрофотография структуры образца AISI 1020 после поверхностной
закалки лазером мощностью 1,68 кВт при времени взаимодействия 2,3 с (а),
увеличенные виды закаленной зоны А (б), переходной зоны В (в) и базовой зоны С
с исходной структурой (г) [6]
г
16
1.2. Современные методы поверхностной закалки участков поверхностного слоя
Существует ряд способов повышения поглощающей способности
обрабатываемого материала:
• создание специального микропрофиля упрочняемой поверх‑
ности;
• направление лазерного луча под углом Брюстера (порядка 70°
от нормали);
• предварительный нагрев заготовки;
• нанесение поглощающих покрытий.
Приведенные способы и их комбинации позволяют повысить по‑
глощающую способность закаливаемых поверхностей стальных дета‑
лей до 80 %.
Для упрочнения и повышения износостойкости деталей широ‑
ко применяется плазменная закалка. Управление процессом плазмен‑
ной закалки осуществляется силой тока дуги, скоростью перемеще‑
ния плазмотрона и соответственно теплового пятна, сформированного
пучком плазмы (рис. 1.10).
а б
Электрод
Вода
Сопло
Открытая
струя плазмы
Рис. 1.10. Схема (а) и фото (б) процесса плазменной поверхностной закалки:
qп — плотность тепловой мощности, поглощаемой заготовкой; v — скорость линейного
Плазмообразующий газ
v v
− −
+ +
q
п
q
п
Закрытая
струя плазмы
перемещения электрода
В качестве электрода в плазменных установках преимуществен‑
но используется вольфрам со вставками из гафния или циркония для
обес печения высокой электронной эмиссии и термостойкости [7].
В зависимости от конструкции плазматрона может быть сформиро‑
вана открытая или закрытая струя плазмы. Открытая струя позволяет
формировать на обрабатываемой поверхности тепловое пятно значи‑
тельно большей площади, чем закрытая. Однако закрытая струя имеет
значительно превосходящую плотность мощности теплового воздей‑
17
1. Локализованное тепловое воздействие и современные методы поверхностной закалки конструкционных сталей
ствия и позволяет сократить время нагрева. Таким образом, открытая
струя плазмы обеспечивает более медленный и равномерный нагрев
обрабатываемой поверхности в отличие от закрытой струи, характери‑
зующейся быстрым нагревом с большим градиентом температур в по‑
верхностном слое. Плазменная закалка открытой струей позволяет
сформировать равномерную крупнозернистую микроструктуру упроч‑
ненной стали на значительной глубине поверхностного слоя. Закалка
закрытой струей обеспечивает получение мелкозернистой структуры
с высокой степенью микрохимической неоднородности в тонком по‑
верхностном слое.
В работе [7] при упрочнении стали марки 20Х13 плазменной закал‑
кой ток дуги составлял 200 А, напряжение 49 В и скорость перемеще‑
ния плазмотрона 2,5 см/с. Микротвердость поверхностного слоя при
этом достигала 650…700 HV на поверхности и 350…450 HV на глубине
0,8 мм. На глубине 1 мм металл имел исходную микротвердость 250 HV.
При электроконтактной закалке локализованный нагрев обес‑
печивается за счет протекания электрического тока большой мощ‑
ности в контактной зоне электрода и обрабатываемой поверхности
(рис. 1.11).
а б
Плоский
электрод
−
+
q
и
Рис. 1.11. Схема процесса электроконтактной (электромеханической)
поверхностной закалки плоским (а) и цилиндрическим (б) электродом:
qп — плотность тепловой мощности, поглощаемой заготовкой; qи — плотность тепловой
мощности, поглощаемой инструментом; v — скорость линейного перемещения
v v
q
п
Цилиндрический
электрод
−
+
q
и
q
п
В качестве электрода при электроконтактной закалке использует‑
ся преимущественно эластичный графит в виде плоского бруска или
цилиндра. Электрод в виде бруска может быть использован только при
обработке плоских поверхностей, в то время как цилиндрический под‑
ходит для плоских и цилиндрических поверхностей. Однако за счет
18
1.2. Современные методы поверхностной закалки участков поверхностного слоя
большей площади контакта плоский электрод позволяет обеспечить
более равномерный нагрев обрабатываемой поверхности и при этом
обладает существенно большей производительностью.
Характерной особенностью электроконтактной закалки является
отведение части выделившегося тепла в электрод. В результате это‑
го только часть тепловой энергии расходуется на нагрев обрабаты‑
ваемого материала, что снижает коэффициент полезного действия.
Особенно остро данная проблема стоит при закалке стальных заго‑
товок, так как коэффициент теплопроводности графита в зависи‑
мости от количества легирующих примесей находится в диапазоне
100…354 Вт/(м · °C), в то время как средняя теплопроводность кон‑
струкционных сталей составляет 20…40 Вт/(м · °C). Таким образом,
при электроконтактной закалке сталей большая часть тепловой энер‑
гии будет отведена в электрод, а коэффициент полезного действия бу‑
дет находиться в пределах 5,6…40 %.
При фрикционной поверхностной закалке локализованный нагрев
обеспечивается за счет трения в контакте упрочняемой поверхности,
а также вращающегося с высокой скоростью и находящегося под нор‑
мальной нагрузкой инструмента (рис. 1.12).
а б
F
n
v
q
и
q
п
Рис. 1.12. Схема (а) и фото (б) процесса фрикционной поверхностной закалки
вращающимся цилиндрическим инструментом:
F — нормальная сила; n — частота вращения; v — линейная скорость подачи инструмента;
qи — плотность тепловой мощности, поглощаемой инструментом; qп — плотность тепловой
мощности, поглощаемой заготовкой
Фрикционная поверхностная закалка имеет место в процессах об‑
работки трением с перемешиванием (FSP — Friction Stir Processing). От‑
личительной особенностью фрикционной закалки является использо‑
вание инструмента с плоским или полусферическим торцом и выбор
19
1. Локализованное тепловое воздействие и современные методы поверхностной закалки конструкционных сталей
технологических параметров нормальной силы F, частоты вращения
n и линейной скорости подачи v, которые обеспечивают достижение
закалочной температуры в поверхностном слое стали. Ключевым во‑
просом фрикционной закалки является выбор материала инструмен‑
та, который должен иметь высокую прочность и износостойкость при
температурах 800…1000 °C. Преимуществом технологии фрикционной
закалки является возможность ее реализации на станках с ЧПУ и обра‑
батывающих центрах без привлечения дополнительного оборудования.
При фрикционной поверхностной закалке, как и при электрокон‑
тактной часть тепловой энергии, выделившейся в контактной зоне, по‑
глощается инструментом. Однако в данном случае теплопроводность
инструментального материала находится на одинаковом уровне с те‑
плопроводностью обрабатываемых сталей. Кроме того, конструкция
инструментальной державки препятствует передаче тепла, поступив‑
шего в инструмент, в станок и окружающую среду, образуя высокое
сопротивление тепловому потоку в инструмент. В результате этого ко‑
эффициент полезного действия при фрикционной закалке находится
в пределах 59…86 % [8].
1.3. Выбор температуры поверхностной закалки
конструкционных сталей
Режимы поверхностной закалки локализованных участков сталей
не могут быть универсальными. Выбор режима, в первую очередь, дол‑
жен быть обоснован, исходя из марки стали, которую предполагается
подвергать закалке. В настоящее время конструкционные стали под‑
разделяются на группы и кардинально отличаются по химическому
составу и тепловым свойствам. Поверхностная закалка сталей каждой
группы требует выбора уникального режима локализованного нагре‑
ва. На основе рекомендаций из книги [1] составлена табл. 1.1 с режи‑
мами поверхностной закалки и достигаемой твердостью.
Одним из главных параметров сталей, оказывающих определяю‑
щее влияние на выбор режима поверхностного упрочнения, является
температура критической точки A
ных сталей и соответственно критических точек AC3 для полной или
AC1 для неполной закалки заэвтектоидных сталей. Для реализации про‑
20
для полной закалки доэвтектоид‑
C3
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]