Упрочнение стали лазерным излучением

Лабораторная работа № 13 предусматривает два занятия. Первое посвящено изучению метода упрочнения материаловлазерным излучением, второе – изучению влияния лазерной обработки не изменение поверхностной твердости сталей. В течение двух занятий студенты оформляют отчет по установленному содержанию и требованиям и защищают его преподавателю.

Цель работы:

1. Ознакомиться с методикой лазерного термоупрочнения сталей, изучить особенности термоупрочнения сталей лазерным излучением;

2. Освоить методику измерения микротвердости.

Приборы, материалы, инструменты:

1) микротвердомер ПМТ-3 для испытания на микротвердость;

2) лазерная технологическая установка “Квант-I5”, имеющая следующие технические характеристики:

§ скорость упрочнения 60:350 мм/ мин,

§ энергия излучения в импульсе не менее 8 Дж,

§ длительность импульса 0,6-4 мк,

§ диаметр зоны обработки 0,5:1,3 мм,

§ частота повторения импульсов до 35 Гц,

§ глубина термоупрочнения до 1 мм;

3) образцы стали 45, 40Х, У8 для лазерного термоупрочнения.

Технологические операции лазерной обработки основаны на использовании теплового воздействия лазерного излучения с твердыми телами (металлами и неметаллами) и включают несколько стадий: поглощение излучения и передачу энергии тепловым колебанием решетки твердого тела; нагревание материала без разрушения, включая плавление; разрушение материала путем выброса и испарения расплава; остывание после окончания воздействия излучения.

Энергия лазерного излучения в технологии машиностроения нашла наибольшее применение для решения следующих задач: лазерное поверхностное упрочнение, лазерное прошивание отверстий и лазерная резка как металлических, так и неметаллических материалов.

Лазерный метод упрочнения заключается в высокоскоростном нагреве металла под действием лазерного излучения до температуры, при которой происходит аустенизация, т.е. углерод присутствует в виде твердого раствора карбида железа в γ- Fe. Последующее быстрое охлаждение приводит к переходу к мартенситной структуре, при которой карбид сохраняется в растворе в α- Fe. Эта фаза характеризуется повышенной твердостью.

Требуемое быстрое охлаждение толщины упрочнения легко достигается при импульсивном воздействии и при нагреве быстро сканируемым расфокусированным лазерным лучом. Интенсивность падающего излучения и скорость сканирования выбираются с учетом прогрева на требуемую глубину упрочнения (обычно < 0,5 мм). После удаления источника нагрева происходит естественное охлаждение вследствие отвода тепла в толщу материала. При нагреве температура поверхности может возрастать со скоростью ≈ 10⁴ град/с. Охлаждение происходит со скоростью 5•10³-10⁴ град/с. Особенности термического цикла лазерной закалки – отсутствие выдержки при постоянной температуре и различная степень аустенизации в разных объемах зоны лазерного воздействия.

Термическую обработку больших участков производят практически только киловатными СО₂-лазерами непрерывного действия или импульсными лазерами с энергией в импульсе не менее 8 Дж.

Лазерное упрочнение имеет ряд преимуществ по сравнению с обычной технологией:

1. Поступление тепла в небольших количествах, сопровождающееся минимальными искажениями.

2. Возможность применения технологии к тонким образцам или образцам малого диаметра.

3. Возможность обработки внутренних поверхностей. Простота регулирования площади нагрева.

4. Простота получения узких упрочненных зон.

5. У прочнение без загрязнения окружающей среды.

6. Быстрый температурный цикл, сводящий окисление к минимуму.

7. Возможность применения к сложным профилям, – например, зубьям шестерен.

Принципиальная оптическая схема процесса лазерной термической обработки материалов приведена на рис. 24. Луч 2 от лазерного излучения 1 падает на поворотное зеркало 3 и, отразившись под прямым углом, фокусируется оптической системой 4 на обрабатываемом образце 5, размещенном на рабочем столе 6, перемещающемся в системе координат Х-У с необходимой скоростью. Соосно с лучом лазера в зону обработки через сопло-насадку 7 подается аргон или азот при давлении /0,5: 1,0/ 10⁵ Нм². Размер светового пятна (зоны обработки) регулируется смещением фокальной плоскости фокусирующей оптической системы относительно поверхности обрабатываемого образца детали (т.е. дефокусировкой на величину ΔF).Обработка производится, как правило, в расходящемся пучке (+ΔF).

 

Рис. 24. Оптическая схема процесса
лазерной термической обработки материалов.

 

Рис. 25. Схема расположения зон обработки.

 

Схема расположения зон обработки при линейном упрочнении представлена на рис.25.

При обработке сталей как на воздухе, так и в защитной среде (аргон, азот) наблюдается увеличение твердости и глубины зоны закалки с ростом мощности лазерного излучения в пятне нагрева – вплоть до критических значений, при которых происходит изменение оплавления поверхности материала.

 

Порядок выполнения работы

1. Измерить твердость исходных образцов по методике, изложенной в лабораторной работе № 10.

2. Совместно с преподавателем или представителем обслуживающего персонала лазерной технологической установки произвести термоупрочнение образцов при различных режимах лазерного излучения (меняя размер светового пятна, частоту повторения импульса, скорость перемещения образца).

ВНИМАНИЕ!

Лазерная установка является источником повышенной опасности!

Самостоятельная работа на установке без специального допуска запрещена.

 

 

3. Измерить твердость образцов в зоне лазерного воздействия.

4. Результаты всех видов измерений занести в таблицу журнала.

5. Проанализировать влияние лазерной обработки не изменение поверхностной твердости сталей.

 

Контрольные вопросы

1. Каков механизм лазерного упрочнения сталей?

2. Каковы особенности лазерной закалки сталей?

3. Назовите основные преимущества лазерного упрочнения.

4. Что влияет на увеличение твердости в глубины зонызакалки сталей?

5. Для решения каких технологических задач в машиностроении используется лазерное излучение?

 

ЗАДАНИЯ К КОНТРОЛЬНЫМ РАБОТАМ

Задание № 1

Цель работы: изучение структур двойных сплавов, уяснение значения диаграмм состояния при изучении сплавов и превращений в них.

Содержание: каждому студенту предлагается одна из диаграмм (табл. 6, рис. 26-35).

При выполнении задания необходимо:

1. Вычертить диаграмму состояния указанной системы и показать структурные составляющие во всех областях диаграммы.

2. Для сплава с указанной концентрацией компонентов построить кривую охлаждения или нагревания с применением правила фаз.

3. Объяснить превращения, происходящие в сплаве при его нагревании или охлаждении.

4. Выбрать для заданного сплава любую температуру, лежащую между линиями ликвидус и солидус, и определить:

а) процентное соотношение компонентов в жидкой и твердой фазах;

б) количественное соотношение фаз.

 

Таблица 6

Варианты заданий для выполнения контрольной работы № 1

№ задания	Система	Кривая	Сплав для построения кривой охлаждения (нагревания)
	Al-Si	Охл.	10 % Si
	Al-Cu	Нагр.	20 % Cu
	Sn-Zn	Нагр.	85 % Zn
	Al-Ge	Охл.	10 % Ge
	Pb-Sn	Нагр.	5 % Sn
	Pb-Sb	Охл.	50 % Sb
	Cu-Ag	Нагр.	25 % Ag
	Pb-Mg	Охл.	10 % Mg
	Cu-Ni	Нагр.	40 % Ni
	Mg-Ca	Охл.	4 % Ca
	Al-Si	Нагр.	4 % Al
	Al-Cu	Охл.	6 % Cu
	Sn-Zn	Нагр.	50 % Sn
	Al-Ge	Охл.	80 % Ge
	Pb-Sn	Нагр.	4 % Pb
	Pb-Sb	Охл.	30 % Pb
	Cu-Ag	Нагр.	12 % Cu
	Pb-Mg	Охл.	10 % Pb
	Cu-Ni	Нагр.	40 % Cu
	Mg-Ca	Охл.	10 % Mg
	Mg-Ca	Нагр.	45 % Mg
	Pb-Mg	Охл.	40 % Pb
	Pb-Sn	Нагр.	30 % Sn
	Al-Si	Охл.	95 % Si
	Al-Cu	Охл.	40 % Cu

 

 

 

Рис. 26. Диаграмма состояния Al-Ge.

 

 

 

Рис. 27. Диаграмма состояния Mg-Ca.

 

 

 

Рис. 28. Диаграмма состояния Al-Si.

 

 

 

Рис. 29. Диаграмма состояния Al-Cu.

 

 

 

Рис. 30. Диаграмма состояния Cu-Ni.

 

 

 

Рис. 31. Диаграмма состояния Pb-Sb.

 

 

 

Рис. 32. Диаграмма состояния Pb-Sn.

 

 

 

Рис. 33. Диаграмма состояния Pb-Mg.

 

 

 

Рис. 34. Диаграмма состояния Cu-Ag.

 

 

Рис. 35. Диаграмма состояния Sn-Zn.

 

Задание № 2

Цель работы: детальное усвоение системы железо–углерод, характеризующей важнейшие и наиболее распространенные технические сплавы – сталь ичугун. Уяснение физической сущности превращений системы в различных зонах температур, на которых основывается термическая обработка.

Содержание: из системы сплавов железо-углерод каждому студенту предлагается четыре сплава (табл. 7) с различным содержанием компонентов. Два из них являются сталями и два – чугунами.

При выполнении задания необходимо:

1. Используя диаграмму железо-углерод, провести на ней четыре вертикальные линии, соответствующие заданному содержанию углерода.

2. Для каждого сплава построить кривую охлаждения, проектируя критические точки диаграммы на ординату кривой охлаждения.

3. На каждом участке кривой охлаждения изобразить схемы структур, по возможности согласуя процентное содержание компонентов с количественным соотношением структурных составляющих (по занимаемой им площади).

4. Пользуясь правилом фаз, обосновать характер кривых охлаждения и протекающих превращений.

Состав сплавов представлен в табл. 7.

 

Таблица 7

Варианты заданий для выполнения контрольной работы № 2

№ задания	Содержание углерода в сплаве, %
1-й сплав	2-й сплав	3-й сплав	4-й сплав
	0,05	1,15	3,00	5,4
	0,10	1,45	3,6	5,8
	0,20	1,60	4,3	6,3
	0,15	0,85	2,4	4,4
	0,25	1,20	3,1	6,2
	0,30	0,90	2,5	6,1
	0,35	1,55	2,9	5,9
	0,40	1,25	2,6	4,5
	0,45	1,10	4,20	6,0
	0,50	0,95	2,70	5,6
	0,55	1,00	3,20	4,9
	0,60	1,05	2,8	5,2
	0,65	1,50	4,1	5,7
	0,70	1,30	3,3	5,0
	0,75	1,35	3,4	5,5
	0,15	1,20	3,7	4,6
	0,80	1,40	3,9	5,3
	0,65	0,65	3,8	4,7
	0,50	0,50	4,0	5,1
	0,75	0,75	3,5	4,8
	0,80	0,80	2,1	4,3
	0,70	0,70	4,2	6,0
	0,55	0,55	3,4	4,5
	0,60	0,60	3,3	6,0
	0,10	0,10	2,8	4,4

 

 

Задание № 3

Цель работы: применить знания теории термической обработки к решению практических задач по выбору режимов термообработки для деталей различного назначения.

Содержание: каждому студенту предлагается марка материала, предназначенного для изготовления изделия соответствующего наименования (табл. 8).

 

При выполнении задания необходимо:

1. Расшифровать состав материала и определить, к какой группе относится данный материал по назначению.

2. Назначить режим термической обработки, привести подробное его обоснование, объяснить влияние входящих в данную марку легирующих элементов на превращения, происходящие при термической обработке.

3. Описать микроструктуру и главные свойства после термической обработки.

 

Таблица 8

Варианты заданий для выполнения контрольной работы № 3

№ задания	Изделия	Марка материала
	Пружины	Сталь 55ГС
	Метчики	Сталь Р18
	Протяжки	Сталь Р9
	Вкладыши подшипников скольжения	Сплав Б83
	Пуансоны штампов, работающие без интенсивного охлаждения	Сталь 5Х3В3МФС
	Молотовые штампы небольших размеров	Сталь В2Ф
	Штампы дл высадки	Сталь 4Х5МФС
	Пилы для работы по металлу	Сталь В2Ф
	Чеканочные штампы	Сталь 6ХС
	Скальпели хирургические	Сталь 9Х18
	Шары дробильных мельниц	Сталь Г13
	Подшипники качения	Сталь ШХ15СГ
	Пружины	Сталь 65ГА
	Детали, работающие в агрессивных средах	Сталь 15Х25Т
	Детали, работающие в агрессивных средах	Сталь 12Х18Н10Т
	Детали, работающие при температуре до 600 ^0С	Сталь 11Х11Н2ВМФ
	Выпускные клапаны двигателей внутреннего сгорания	Сталь 45Х14Н14В2М
	Рессоры	Сталь 60СГ
	Фрезы	Сталь Р18Ф2
	Шестерни, которые должны иметь износоустойчивый слой при вязкой сердцевине	Сталь 20Г
	Шестерни, которые должны иметь износоустойчивый слой при вязкой сердцевине	Сталь 40Х
	Сверла	Сталь ХВ5
	Оси, которые должны иметь повышенную прочность по всему сечению (НВ 230-280)	Сталь 40Х
	Детали, работающие в соляной кислоте в интервале всех концентраций	Сталь 10Х14Г14Н4Т
	Детали, работающие в уксусной кислоте	Сталь 08Х21Н16М2Т

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

 

1. Арзамасов В.Б., Волчков А.И., Головин В.А. и др. Материаловедение и технология конструкционных материалов. – М.: Изд-во «Машиностроение», 2007. – 528 с.

2. Материаловедение. Технология конструкционных материалов / под ред. В.С. Чередниченко. Т. 1, Т. 2. – Новосибирск: НГТУ, 2004.

3. Арзамасов Б.Н. Материаловедение. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. – 648 с.

4. Материаловедение и технология металлов / под ред. Г.П. Фетисова. – М.: Высшая школа, 2001.

5. Журавлев В.Н., Николаева О.И. Машиностороительные стали: Справочник. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиносторение, 1992. – 480 с.

6. Арзамасов Б.Н. Материаловедение. – М.: Изд–во «Машиностроение», 1986.

7. Геллер Ю.А. Материаловедение. – М.: Изд-во «Металлургия», 1983.

8. Материаловедение. Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева. – М.: Машиностроение, 1980.

9. Самохоцкий А.И. Лабораторные работы по металловедению и термической обработке металлов. – М.: Изд-во «Машиностроение», 1981.

10. Кнорозов Б.В. Технология металлов. – М.: Изд-во «Металлургия», 1978.

11. Гуляев А.П. Металловедение. – М.: Изд-во «Металлургия», 1977.

12. Справочник металлиста / под ред. А.Г. Рахштадта. – М.: Машиностроение, 1976.

 

Оглавление

 

ВВЕДЕНИЕ.. 3

Требования по технике безопасности при выполнении лабораторных работ. 4

I. СТРОЕНИЕ И СТРУКТУРА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ.. 5

Лабораторная работа № 1. Изучение устройства металлографического
микроскопа МИМ-10. Приготовление микрошлифов. 5

Лабораторная работа № 2. Процесс кристаллизации. 15

Лабораторная работа № 3. Изучение микроструктуры сталей
в равновесном состоянии. 20

Лабораторная работа № 4. Изучение микроструктуры чугунов. 24

Лабораторная работа № 5. Изучение микроструктур цветных сплавов. 31

II. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ.. 35

Лабораторная работа № 6. Определение твердости металлов по методу Бринеля. 35

Лабораторная работа № 7. Определение твердости по методу Роквелла. 40

Лабораторная работа № 8. Определение микротвердости на микротвердомере ПМТ-3. 45

III. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ.. 45

Лабораторная работа № 9. Закалка стали в различных средах. 45

Лабораторная работа № 10. Микроанализ термически обработанных
сталей. 45

Лабораторная работа № 11. Изучение неравновесных и особых
микроструктур сталей. 45

Лабораторная работа № 12. Влияние холодной пластической
деформации и температуры рекристаллизации на структуру и свойства малоуглеродистой стали 45

Лабораторная работа № 13. Упрочнение стали лазерным излучением.. 45

Задания к контрольным работам.. 71

Задание № 1. 71

Задание № 2. 77

Задание № 3. 79

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.. 81