ЛАЗЕРНОЕ ТЕРМОУПРОЧНЕНИЕ

Среди различных способов повышения износостойкости деталей (легирование, закалка ТВЧ, объемная и плазменная закалка, различные методы напыления и т.д.), особое место занимает технология лазерного термоупрочнения. Это связано с уникальностью свойств лазерного луча как технологического инструмента, позволяющего создавать на локальной поверхности детали концентрацию тепловой энергии в широком диапазоне мощностей, что позволяет обеспечить контроль термических циклов нагрева и охлаждения поверхностных слоёв металла.

Процессы взаимодействия лазерного луча с различными материалами, механизмы структурофазовых изменений в зонах лазерного воздействия на сегодняшний день достаточно широко исследованы.

Особенности технологии лазерного термоупрочнения выгодно отличаются от других методов закалки:

• В отличие от классических процессов термоупрочнения, нагрев при лазерной закалке является не объемным, а локальным, поверхностным процессом, что минимизирует поводки и деформации обработанных деталей.
• Упрочнение лучом лазера осуществляется без оплавления поверхности – это исключает изменение шероховатости и необходимость в последующей механообработке (шлифовка, полировка и т.д).
• Термический цикл, при лазерном упрочнении, самый быстрый по сравнению с другими и составляет 0,1…0,5 с. Эти условия обеспечивают высокие скорости нагрева и охлаждения обрабатываемых поверхностных участков в результате чего достигаются высокая твердость поверхности, высокая дисперсность и однородность структуры, уменьшение коэффициента трения, увеличение несущей способности поверхностных слоев.
• Высокая производительность данной технологии характеризуется автоматизацией процесса лазерного термоупрочнения и исключением необходимости термообработки всей детали, а лишь локальных участков подверженных износу.
• Отсутствие проблем прочности связи (адгезии) упрочненного слоя с основной массой детали, как, например, при использовании технологии напыления, наплавки и т.д.
• Возможность упрочнения поверхностей любой сложности и геометрии благодаря современному лазерному технологическому оборудованию.
• Возможность упрочнения и модифицирования поверхностей широчайшей номенклатуры материалов с повышением их эксплуатационных характеристик, что позволяет во многих случаях заменять дорогостоящие, сложнолегированные материалы, используемые часто с целью обеспечения необходимой износостойкости поверхностей, на более простые, дешевые и доступные с приданием им нужных эксплуатационных характеристик.

 

Области применения технологии лазерного термоупрочнения:

• в системе железнодорожного транспорта — это быстроизнашивающиеся поверхности надрессорных балок, боковых рам, колесных пар, автосцепок, различных валов и т.д.;
• в металлургии — поверхности прокатных валов разных типоразмеров, фильер, крупногабаритных нагруженных зубчатых колес и т.д.;
• в машиностроении и в станкостроении — изнашивающиеся поверхности направляющих станков и прессов, ходовых винтов и шлицевых валов, посадочных мест ступенчатых валов, поверхности трения муфт, штоков, рычагов, деталей насосов и т.д.;
• в сфере нефтегазодобычи и геологоразведки — поверхности резьбовых соединений труб, рабочих органов (коронок) буровых установок, деталей погружных насосов и т.д.;
• в инструментальном производстве — режущие кромки вырубных штампов, особенно крупногабаритных дорогостоящих с длительным циклом изготовления, поверхности штампов объемной холодной и горячей штамповки, режущих инструментов, ножей гильотинных и т.д.;
• в моторостроении (особенно мощных двигателей для судов и локомотивов) — поверхности шеек коленчатых валов, распредвалов, седел клапанов, гильз цилиндров и т.д.;
• в сфере производства, ремонта и эксплуатации дорожно-строительной техники — износостойкость и ресурс деталей гидроаппаратуры, ножей грейдерных и бульдозерных, бил роторов для дробления щебня, звездочек и натяжных колес гусеничных экскаваторов и тракторов, зубьев ковшей экскаваторов и т.д.;
• в стеклотарной отрасли — кромки и поверхности форм для литья стеклотары;
• в производстве газотурбинных двигателей — это поверхности лопаток и других быстроизнашивающихся деталей;
• в сфере производства, ремонта и эксплуатации сельскохозяйственной техники — это рабочие органы почвообрабатывающей техники (плужиных лемехов, дисков борон, ножей культиваторов);
• в оборонной промышленности, в частности, ресурс стволов артиллерийских установок;
• в сфере производства подшипников разных типоразмеров (прежде всего, крупных и особо крупных) для различных отраслей и условий эксплуатации и т.д.

«Кронштейн»
Сталь 38Х2Н2МА
Твердость после лазерного термоупрочнения 52-55 HRC.

Примеры практического лазерного упрочнения производственных деталей различного назначения

Процесс упрочнения эвольвенты зубьев ведущего вала-шестерни. Сталь 38ХНЗМФА. Твердость после лазерного термоупрочнения 56-59 HRC. (вес — 2,5т).

 

Процесс термоупрочнения фланца ротора. Сталь 40ХН2МА. Твердость 55-59

 

Шестерня второй ступени. Сталь 25 ХГТ. Твердость после лазерного термоупрочнения 55-59 HRC.

 

Погон. Диаметр 2869 мм. Сталь 0ХН3М. Твердость после лазерного термоупрочнения 55-57 HRC.

 

Кронштейн. Сталь 38ХН3МФА.
Твердость после лазерного термоупрочнения 53-56 HRC.

 

Остов кронштейна. Сталь 07Х3ГНМЮА. Твердость после лазерного термоупрочнения 55-59 HRC

Матрица вырубного штампа. Сталь 9Х. Твердость после лазерного термоупрочнения 58-64 HRC

 
 

Упрочнение матрицы штампа вытяжного для ободов автомобильных колес. Сталь 9Х1. Твердость после лазерного термоупрочнения 55 — 60 HRC.

 

Процесс упрочнения рабочей кромки упора подвижного к муфте пусковой предохранительной МПП-2 установки погружного насоса для добычи нефти. Материал – сталь 45. Твердость послелазерного термоупрочнения – 59-62 HRC.

 

Лазерная закалка ротора турбины, сталь 40ХН2МА. Твердость после лазерного термоупрочнения: 56-59 HRC	Лазерная закалка «Плита каленая», сталь 9ХС. Твердость после лазерного термоупрочнения 60-62 HRC
Лазерная закалка детали «Поршень», материал ОХН3МФА, твердость после лазерного термоупрочнения 52-56 HRC (по требованию заказчика).	Лазерная закалка Вала, сталь 40ХН2МА. Твердость после лазерного термоупрочнения 51-55 HRC.
Лазерная закалка пресс матрицы, материал – 5140RH (аналог стали 40Х), твердость после лазерного термоупрочнения 55-59 HRC.	Полуформы для литья стеклотары, чугун СЧ-20. Твердость после лазерного термоупрочнения 50-52 HRC.

 

Таблица твердости различных марок сталей после лазерного термоупрочнения

Примечание: показатели твердости HRC показаны согласно требованиям чертежа заказчика.