Методы лазерного, электронно-лучевого, плазменного и детонационного упрочнения деталей машин

Существует три группы методов упрочнения поверхностей деталей машин концентрированными потоками энергии:

· лазерная и электронно-лучевая обработка;

· плазменное и детонационное напыление;

· вакуумная ионно-плазменная обработка.

К первой группе относятся методы, основой которых является перенос энергии от лучевого источника к обрабатываемой поверхности, которая в результате мощного локального энергетического воздействия приобретает новые свойства.

Ко второй группе относятся методы, основу которых составляет перенос вещества от некоторого источника к предварительно очищенной обрабатываемой поверхности, на которой это вещество оседает, формируя защитное покрытие.

В третьей группе используется источник вещества, крупные частицы которого разогреваются и разгоняются до высокой энергии и внедряются или прилипают к обрабатываемой поверхности, формируя на ней слой нанесенного вещества.

Лазерное упрочнение

Основой процесса лазерного упрочнения является быстрый нагрев до высокой температуры (температуры плавления) поверхностного слоя металла с последующим быстрым охлаждением путем отвода тепла в основной объем металла, который остается практически холодным.

В принципе необходимое повышение температуры металла можно получить и стандартными методами- нагревом в термической или индукционной печи. Однако эти методы часто являются непригодными из-за неоднородности нагрева. Кроме того в крупногабаритных деталях очень часто необходимо закалить только часть поверхности, а не весь объем детали. Сделать можно только лазерной обработкой (термообработкой), которая может проводится с оплавлением и без оплавления поверхностного слоя. Чаще всего используют обработку без оплавления с сохранением исходной шероховатости R_a=0,16- 1,25мкм. Глубина упрочняемого слоя металла определяется величиной допустимого линейного износа.

Производительность лазерного упрочнения определяется:

.

где: К- коэффициент перекрытия;

V- скорость движения луча (детали);

d₀- диаметр пучка (ширина дорожки упрочнения), d₀= 1-1,5 мм. И более.

Возможна обработка перекрывающимися и неперекрывающимися дорожками. При наложении дорожки упрочнения происходит частичный нагрев предыдущей упрочненной зоны, что может привести к отпуску и снижению твердости. При обработке неперекрывающимися дорожками зазор между ними составляет 10-30% от площади обрабатываемой поверхности.

Уменьшение износа в 2-3 раза.

Применение: коленчатые валы двигателей, гильзы цилиндров, зубчатые колеса, детали химического, нефтяного и бурового оборудования.

Лазерная наплавка

Лазерная наплавка порошковых материалов обеспечивает получение наплавленного слоя высокой степени однородности и качества без значительно термического влияния на нижележащие слоя металла.

Применяют порошки хрома, бора, никеля, кремния

Сущность процесса наплавки заключается в нанесении на поверхность детали слоя порошка и последующего его расплавления лучом лазера. Порошок диффундирует в основной металл, а быстрое остывание позволят получить однородную структуру поверхностного слоя. После последующей шлифовки толщина наплавки может достигать 0,2-0,4 мм., повышение износостойкости в 2-3 раза.

Лазерное оборудование

Лазерная установка, предназначена для поверхностного упрочнения металла, содержит в качестве основных элементов лазер с блок питания, оптическую систему для транспортировки и фокусирования лазерного луча, систему позиционирования обрабатываемой детали, систему управления и контроля параметров обработки.

Лазеры могут быть электроразрядные СО₂- лазеры и твердотельные Nd- лазеры.

Электоразрядные СО₂- лазеры имеют большую длину волны (10,6 мкм.), электоразрядные возбуждения, прокачку газовой смеси (СО₂, N₂, He) по замкнутому контуру. Используются для непрерывной обработки. Мощность 1-25 кВт. Твердотельные Nd- лазеры работают от активного элемента в виде стержня или пластины. Могут работать в прерывистом и непрерывном режимах. Мощность до 200 Вт. Созданы до 3 кВт. Длина волны менее 10,6 мкм и следовательно более высокое поглощение в металле. Можно использовать транспортировку луча по световолокнам. Применение предпочтительное.

Электронно-лучевая обработка

Здесь обработка поверхности производится мощным электронным пучком в вакуумной среде. При этом необходима защита оператора от рентгеновского излучения, что препятствует широкому массовому распространению такого упрочнения.

Преимущества по сравнению с лазерной:

· более высокий КПД;

· более высокая мощность;

· меньшая стоимость.

Применяют наплавку с порошком алюминия, железа и никеля в среде азота. Износ уменьшается в 2-4 раза.

Применение: такое же как и лазерной обработки.

Электронно-пучковое оборудование

Электронный как и лучевой источник энергии по своим технологическим возможностям близка к лазерным источникам. Установка содержит: электронную пушку с блок питания, герметичную вакуумную камеру с устройствами перемещения обрабатываемой детали или пушки, вакуумную систему с насосами, систему управления и контроля.

Мощность до 20 кВт.

Применение в России незначительное.