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. |
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
Материал | Твердость исходная | Твердость после упрочнения | Глубина слоя (мм) | |||
---|---|---|---|---|---|---|
6Х4М3ФСЛ |
20-24 HRC |
60-62 HRC |
~0,8-1,0 |
|||
Сталь 20 |
15-18 HRC |
37-42 HRC |
~1,2-1,5 |
|||
Материал достоверно неизвестен |
18-24 HRC |
46-50 HRC |
~0,5-0,8 |
|||
Сталь 35. |
14-16 HRC |
38-40 HRC |
~0,8-1,0 |
|||
Сталь 45 |
32-38 HRC |
59-63 HRC |
~0,8-1,0 |
|||
Сталь 45 Л |
14-16 HRC |
57-61 HRC |
0.9 |
|||
Сталь Х12МФ Чугун ХФ |
18-22 HRC 18-22 HRC |
46 – 52 HRC 58-62 HRC |
~0,8-1,2 ~0,8-1,2 |
|||
Сталь 45Х Сталь 40Х |
18-24 HRC |
60-62 HRC |
~1,1-1,2 |
|||
Сталь 9Х |
20-24 HRC |
60-66 HRC |
1 |
|||
Низколегированный чугун |
15-18 HRC |
56-60 HRC |
~0,4-0.5 |
|||
Низколегированный чугун |
15-18 HRC |
54-58HRC |
~0,8-1,0 |
|||
Титан ВТ6 |
15-18 HRC |
57-61 HRC |
~0,2 |
|||
Сталь У10А |
16-18 HRC |
60 -65 HRC |
~1,1-1,2 |
|||
Сталь У10 |
22-26 HRC |
65-67 HRC |
1 |
|||
Сталь У8 |
23-27 HRC |
60-64 HRC |
1 |
|||
Сталь 40Х13 Сталь 40Х13 |
18-24 HRC 18-24 HRC |
51-58 HRC 40-48 HRC |
~0.8-1.1 |
|||
Сталь 40ХН2МА |
22-26 HRC |
55 HRC |
~1,0-1.2 |
|||
Сталь 0ХН3М |
24-26 HRC |
55 HRC |
~1.5 |
|||
Сталь 25ХГТ |
20 — 22 HRC |
53 — 55 HRC |
~1.15-1.2 |
|||
Сталь 6Х6В3МФС |
28-30 HRC |
58 — 62 HRC |
~0.5-0.6 |
|||
07Х3ГНМЮА |
27-30 HRC |
66 HRC |
~1.2 |
|||
38ХН3МФА |
36-40 HRC |
60 — 64 HRC |
~1,55 |
|||
38Х2Н2МА |
24-27 HRC |
55 — 58 HRC |
1,1 |
|||
20Х2Н4А |
25-27 HRC |
43- 46 HRC |
1.5 |
|||
45ХН2МФА |
25-27 HRC |
55-62 HRC |
1,8 |
|||
12Х2НВФА |
27-30 HRC |
40-46 HRC |
0,7 |
|||
5ХНМ |
18-21 HRC |
60-62 HRC |
1.1 |
|||
СЧ20 |
18-22 HRC |
53-56 HRC |
0,8 |
|||
Р18 |
27-30 HRC |
68-72 HRC |
1 |
|||
38 ХС |
22 HRC |
56-60 HRC |
1.4 |
Примечание: показатели твердости HRC показаны согласно требованиям чертежа заказчика.