Лазерная обработка сопрягаемых пар трения

Шастан В. И. УДК 621.373.826

ЛАЗЕРНАЯ ОБРАБОТКА СОПРЯГАЕМЫХ ПАР ТРЕНИЯ

Поверхностная лазерная обработка металлов и сплавов относится к локальным методам термического воздействия на материалы и предусматривает использование таких перспективных технологических процессов, как сварка термоупрочнение, наплавка, глазирирование, легирование и т.д.

Высокая концентрация энергии лазерного излучения и локальность его воздействия позволяет производить обработку поверхностного слоя при сверхвысоких скоростях нагрева и охлаждения (до 104 град/с.) без нарушения структуры основного объема детали при минимальных значениях деформаций и остаточных напряжений. Благодаря этому удается получить уникальные эксплуатационные свойства обрабатываемых поверхностей в результате структурных и фазовых превращений не свойственных традиционным методам поверхностной обработки. Кроме того, наблюдаемые эффекты лазерного упрочнения определяются явлениями микропластического деформирования, искажениями кристаллической решетки, диффузионными и иными процессами. Механизм термоупрочнения и причины объясняющие улучшение конструкционных свойств большинства сплавов достаточно хорошо изучены и находят всё более широкое практическое использование.

Основным назначением поверхностной лазерной обработки является повышение работоспособности объектов за счёт увеличения износостойкости, прочностных свойств, коррозионной стойкости и несущей способности поверхностных слоев материала.

Наиболее важным эксплуатационным параметром, определяющим работоспособность поверхностного термоупрочненного слоя, является показатель износостойкости. Известно большое число отечественных и зарубежных работ по изучению износостойкости термоупрочненных лазерным излучением металлов и сплавов (1;2;3). Эти и другие работы послужили основанием не только для установления закономерностей термоупрочнения, но и разработки практических рекомендаций для их промышленного использования. Область практического использования этих видов обработки достаточно велика, а объемы внедрения

продолжают расширяться среди них, технологии термообработки режущего инструмента, штамповочной оснастки, повышения защитных свойств материалов, размерная обработка и другие процессы.

Однако, наиболее массовое применение технологий лазерной обработки, наблюдается в процессе упрочнения поверхностей, сопрягаемых узлов трения деталей машин, подверженных различным видам износа. В этом направлении изучено большинство конструкционных сплавов различного состава и применения, установлены общие закономерности изменения характеристик материалов в зависимости от параметров и режимов лазерной обработки. При этом наибольшее внимание уделялось изучению тех материалов и узлов, которые подвержены наибольшему износу. Лишь в отдельных работах косвенно рассматривалось качественное влияние термообработанных поверхностей на отдельные эксплуатационные свойства сопрягаемых с ней поверхностей и материалов [4].

Известно, что природа износа узла трения имеют достаточно сложный механизм, а износ сопрягаемых деталей зависит от триботехнических свойств каждого из материалов узла трения и условий, в которых работает сам узел. В связи с этим, представляет научный и практический интерес изучение влияния лазерных методов обработки при взаимном термоупрочениии сопрягаемых пар трения. Имеется ввиду не только лазерная закалка, но и другие виды поверхностной обработки, такие как лазерная наплавка, напыление, легирование и т.п. Не исключено также и сочетание других методов и комбинаций поверхностного упрочнения, кроме лазерного.

В настоящей работе приводятся некоторые результаты экспериментальных исследований по оценке износостойкости пар трения, подверженных лазерной термообработке и восстановлению методом порошковой лазерной наплавки. Дальнейшее развитие этого направления по мнению автора, может оказаться актуальным, о чём свидетельствуют нижеприведенные результаты.

Для удобства описания, анализа результатов и более полного охвата реально возможных режи-

СИСТЕМНЫМ АНАЛИЗ И ЕГО ПРИЛОЖЕНИЯ

мов лазерной обработки, кроме количественной оценки плотности мощности (энергии) излучения, была принята качественная классификация наиболее характерных режимов.

Первый из них - режим «термоупрочнения», характеризующий появление закалочных структур в поверхностном слое (определяется металлографическим анализом, либо показателем твердости).

Второй - «критический» режим обработки не вызывающий оплавления поверхности, при максимальной величине плотности мощности излучения.

Третий - режим «оплавления», характеризующий образование расплава в зоне лазерного воздействия, в виде каверны при импульсной обработке и в виде микроканала при непрерывном режиме работы лазера.

При порошковой лазерной наплавке, как одном из видов поверхностной лазерной обработки, условия формирования наплавочного слоя соответствовали некоторым оптимальным режимам обработки для соответствующего присадочного и материала восстанавливаемой детали.

При этом, режимы лазерной обработки обеспечивали условия формирования равномерного однородного слоя наплавки, исключая при этом возникновение пор, раковин и трещин при обеспечении подплавления основы материала с определенным коэффициентом перемешивания у присадочного и основного металлов. Соблюдение этих условий позволяет получить наиболее износоустойчивый слой наплавки с высокой адгезионной прочностью его с основой детали.

Актуальность изучения данного вида восстановления обусловлена не только практической потребностью и перспективностью использования в ремонтных отраслях промышленности, но и необходимостью изучения триботехнических свойств восстановленных и сопрягаемых с ними поверхностей. Известно, что при наплавке используются присадочные материалы, обладающие высокими эксплуатационными свойствами, прежде всего, повышенной износостойкостью. При этом, условия работы сопрягаемых поверхностей после восстановления одной из них могут существенно измениться, поэтому становится вероятным повышенный износ невосстановленной детали сопряжения. В этом случае может оказаться целесообразным взаимная наплавка сопрягаемых поверхностей, либо упрочнение не восстановленной детали, в том числе одним из методов лазерного термоупрочнения.

Первоначально рассмотрим особенности лазерной закалки и влияние её на некоторые струк-

турные, физико-механические и триботехнические свойства стали ШХ15. Эта сталь относится к классу хромистых сталей. В отожженном состоянии она имеет структуру зернистого перлита и равномерно распределенных карбидов [6]. При воздействии лазерного излучения на уровне «критического» режима обработки на поверхности образуется упрочненный светлый слой, имеющий мартенситно-аустенитную мелкодисперсную

структуру мартенсита. При обработке на режиме оплавления образуется слой застывшего расплава, имеющего структуру высокоуглеродистого мартенсита и остаточного аустенита с показателем микротрвердости ~1100 МПа. Практика лазерной закалки этой стали показывает вероятность возникновения на её поверхности микротрещин. Поэтому упрочнение рекомендуется производить при малой длительности импульса, либо при повышенных скоростях обработки непрерывным излучением лазера.

Толщина термоупрочненного слоя стали в этом случае составляет 0,6...0,75 мм., что подтверждается микроструктурным и анализом микротвердости по глубине упрочненного слоя (рис. 1).

Н, МРа 1000

600

200

2

1

-

0,25

0.75

Рис. 1. Распределение микротвердости в зоне лазерной обработки стали ШХ15: Кривая 1 - при обработке на режиме «термоупрочнения»; 2 - на режиме «оплавления»

В ходе микроструктурного анализа было обнаружено, что зона расплава плохо подвергается химическому травлению, поэтому при подготовке микрошлифов использовалось электрохимическое травление.

Ранее проведенные исследования сталей данного класса [6] уже отмечали увеличение износостойкости от воздействия лазерного излучения. Однако в условиях взаимной обработки, т.е. обеих

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

деталей сопряжения данные отсутствуют, что определило необходимость их экспериментальной оценки.

Испытания проводились на специальной лабораторной установке в режиме трения скольжения при вращении цилиндрического образца (обойма упорного подшипника) по плоской поверхности аналогичного неподвижного образца, расположенного перпендикулярно плоскости вращения первого из них. Усилие нагружения в месте контакта регулировалось рычажным механизмом путем установки различных грузов. Износ осуществлялся в условиях ускоренных испытаний со смазкой, маслом МС - 20, содержащим 3% абразивной пасты.

Величина износа образцов оценивалась путём определения веса вынесенного в результате трения материала, взвешиванием образцов на аналитических весах. С целью повышения достоверности полученных результатов испытаний и контрольные замеры массы образцов проводились неоднократно. Лазерная обработка осуществлялась импульсным излучением лазера при полной контурной обработке поверхности с перекрытием зон обработки.

Результаты испытаний, приведенные на рис. 2 показали, что показатель изнашивания существенно зависит от режима лазерной обработки и снижается с увеличением доли поглощенной энергии лазера. Наибольшая износоустойчивость при обработке одной из сопрягаемых поверхностей отмечается при обработке образцов на режиме «оплавления», при этом износостойкость сопрягаемой не подвергнутой лазерной обработке поверхности также имеет некоторое повышение исследуемого параметра. Максимальное увеличение износостойкости той или иной сопрягаемых поверхностей наблюдается при взаимном их термоупрочнении на наиболее энергоемких режимах обработки. Кроме того, обнаружено, что эффективность лазерного упрочнения проявляется в большей степени, в узлах трения со смазкой.

Наряду с повышением износостойкости термоупрочненной поверхности стали ШХ15 имеет место заметное увеличение её коррозионной стойкости. Это было обнаружено при проведении сравнительных испытаний образцов на общую коррозию, при их выдержке в 3% -ом растворе №С1 в течение 12 месяцев. Потери массы обработанных образцов на режиме «оплавления» после удаления продуктов коррозии снизилась по сравнению с необработанными в 2,5 раза. Очевидно влияние лазерной обработки на исследуемый показатель связано со спецификой образования в по-

верхностном слое мелкодисперсной структуры с повышенной химической стойкостью, что отмечалось раннее при химическом травлении микрошлифов.

Износ - гр. х 10-3

0,3

А 0,2

0,1

1 2 3 Режимы обработки

Рис. 2. Зависимость изнашивания образцов от режима лазерной обработки: 1 - износ подвижного образца без обработки при упрочненном неподвижном; 2 - износ неподвижного обработанного

Таким образом, лазерное термоупрочнение стали ШХ15 повышает её износоустойчивость и коррозионную стойкость. Наибольшая износостойкость сопрягаемых деталей достигается при взаимной обработке их рабочих поверхностей, на наиболее энергоемких режимах обработки.

Не менее перспективным в этом направлении является исследование поверхностей сопряжения, восстанавливаемых методом лазерной наплавки. Актуальность этого направления обусловлена необходимостью изучения триботехнических свойств и закономерностей изнашивания сопрягаемых поверхностей, с одной стороны, и возрастающим практическим использованием этой перспективной технологии восстановления, с другой.

С этой целью были проведены аналогичные исследования пары трения типа «вал - подшипник скольжения». В качестве исследуемого материала использовалась сталь 30ХГСА, наиболее широко используемая в сильнонагруженных узлах современной техники. Известно, что данный вид стали подвержен лазерной закалке и имеет перспективу

4

СИСТЕМНЫМ АНАЛИЗ И ЕГО ПРИЛОЖЕНИЯ

производственного использования [7]. В тоже время, природа формирования наплавочного слоя на поверхность стали имеет свои особенности и требует их рассмотрения.

Структура и фазовый состав восстанавливаемых поверхностей при лазерной наплавке определяется в основном, составом присадочного и основы материала, технологическими параметрами лазерной обработки, а также скоростями нагрева и охлаждения. Механизм кристаллизации расплава и формирования структуры в процессе лазерной обработки во многом аналогичен традиционным способам наплавки. Его особенности заключаются в значительном превышении скоростей нагрева и особенно охлаждения. Последняя приводит к образованию пересыщенных твердых растворов и способствует сдвигу критических точек превращений по отношению к аналогичным точкам на равновесных диаграммах состояния сплавов. Вместе с этим наблюдается значительное измельчение (аморфизация) структурных составляющих и изменение химического состава некоторых из них.

Согласно теории затвердевания, образование мелкодисперсной структуры связано с возникновением высокого термоконцентрационного переохлаждения, инициирующего возникновение большого числа центров кристаллизации. Концентрационное переохлаждение способствует дендри-тизации структуры и её измельчению в соответствии с зависимостью [ 7 ]:

Ь = 2Ка -V р

где Ь - ширина осей кристаллитов; Кл - коэффициент диффузии; V - скорость роста кристаллитов; р - коэффициент, зависящий от скорости роста кристаллов.

При лазерной наплавке расстояние между осями дендритов второго порядка составляет (1,5.2,5) ' 10-6 м., в то время как при иных способах оно составляет (12.20) ' 10-6 м., при наплавке токами высокой частоты и 200 ' 10-6 м. для дуговой наплавки [8].

С увеличением скорости охлаждения происходит подавление процессов диффузии, что приводит к частичному или полному исключению образования отдельных фаз в многофазной структуре. Так при равновесных условиях кристаллизации самофлюсующихся сплавов системы №-Сг-В^ наиболее широко применяемых для восстановления образуется трехфазная структура, состоящая из у-твердого раствора на основе никеля, с микротвердостью НУ=(2800...3650)МПа, сложной эвтектики типа №+№зВ НУ=(5650 ...8200)МПа и

кристаллических образований различной формы и размеров, среди которых присутствуют карбиды хрома СГ23С2, СГ23С6 НУ=(1080...1450)МПа, бори-ды хрома СгВ СГВ4 НУ=(18000...24000)МПа и сложные соединения типа карбоборидов НУ=(28000...39000)МПа. При лазерной наплавке порошками этой системы, используемые при проведении настоящей работы, в условиях высоких скоростей охлаждения, происходит образование квазиэвтектической структуры сильно пересыщенного у-твердого раствора и эвтектики у+ №3В. Причем обнаружено, что эти структурные составляющие существенно меньше, чем при наплавке ТВЧ. Микротвердость наплавленного слоя в этом случае составляет 7900.. ,9000МПа.

Рассмотренные особенности структуры лазерной наплавки, заключающиеся в дисперсном упрочнении, растворении хрупких карбидных фаз и образовании пересыщенных твердых растворов очевидно и обеспечивает высокие эксплуатационные свойства наплавленного слоя.

Как отмечалось выше, важным технологическим приемом, обеспечивающим высокие эксплуатационные свойства наплавленного слоя, являются с одной стороны обеспечение подплавле-ния основы материала для увеличения адгезионной связи сплавляемых слоев, и получения ограниченного показателя перемешивания расплавов присадочного и материала основы, с другой стороны. Последнее условие необходимо для сохранения высоких износостойких свойств, которыми обладают присадочные материалы.

Принято считать, что оптимальным является перемешивание с коэффициентом у=5...15%, который определяется из зависимости: [8]

7 = (Б0 / Бн + ¿0)-100% где - площадь подплавления основы металла; 8н - площадь всего расплавленного металла в поперечном сечении наплавочного валика.

На рис. 3 показана микроструктура зоны наплавки присадочным порошком ПГ - ХН80СР2. Наплавка осуществлялаяь непрерывным излучением СО2 - лазера мощностью 800 Вт путём дозированной подачи сыпучего присадочного порошка в зону сплавления, при постоянной скорости перемещения образца и неизменном положении фокуса линзы относительно наплавляемой поверхности.

Перед наплавкой порошок просеивается для выделения однородного гранулометрического состава (40.160)мкм, прокаливется для удаления влаги и перед наплавкой нагревется до температуры 350...400°С. Эти подготовительные технологи-

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

ческие приемы позволяют избежать возникновение неоднородностей и микротрещин в наплавленном слое.

а

б

в

г

Рис. 3. Микроструктура зоны наплавки а - структура металла у линии сплавления (х300);б -микроструктура сплавов системы III СР20м-1 (х800); в - микроструктура сплавов системы ПГСР20м-2 (х800); г - микроструктура сплавов системы III СР30м (х800).

Металлографический анализ показал, что поверхностная часть зоны наплавки имеет мелкодисперсную дендритно-ячеистую структуру по химическому составу малоотличающуюся от состава присадочного материала. Эти зоны имеют наибольший показатель микротвордости 8500...9000МПа и низкую степень химического травления. Ниже следует зона перемешивания, имеющая достаточно контрастную картину слоя наплавки и основы материала. Её химический состав характеризуется повышенным содержанием железа и снижением микротвердости на величину 600...800МПа по отношению к верхнему слою. Контрастность в этой зоне обуславливается очевидно высокой скоростью охлаждения, вследствие чего выравнивающая диффузия не успевает пройти с достаточной полнотой. Нижний, прилегающий к наплавке слой основы сплава характеризуется наличием зоны термического влияния (в виде более темного слоя) плавно приобретающий вглубь материала структуру и твердость основы металла.

Лабораторные испытания на износостойкость пары трения типа «вал-подшипник скольжения» имитировали условия близкие к реальной работе деталей сопряжения в условиях сухого трения и со смазкой. В работе рассмотрены последние. Методика контроля результатов эксперимента и условий их проведения во многом аналогичны вышеописанным.

Поверхностной лазерной обработке подверглись обе детали сопряжения, а именно: вал подвергался лазерной закалке на тех же 3-х режимах термоупрочнения и лазерной наплавке на оптимальном режиме также упомянутом выше порошковым присадочным материалом ПГ-ХН80СР2; сопрягаемая с валом деталь - подшипник скольжения, выполненная в виде цилиндра с плоской рабочей поверхностью подвергалась только термоупрочнению на тех же режимах обработки. Лазерная обработка той и иной поверхности сопряжения осуществлялась излучением непрерывного СО2-лазера мощностью 300Вт.

Результаты проведенных испытаний исследуемой стали 30ХГСА принципиально подтвердили целесообразность взаимной лазерной обработки сопрягаемых поверхностей как при термоупрочнении, так и при наплавке. Аналогичные исследованной и описанной выше стали ШХ15, были получены результаты параметров износостойкости, как при термообработке одной из пар трения, так и при взаимной их обработке. Характер и закономерности износа мало чем отличается от результатов представленных на рис.2. Некоторое отличие интенсивности износа при различных режимах обработки не опровергает общих закономерностей изменения триботехнических свойств данного материала от воздействия лазерного излучения, что позволяет говорить о преемственности полученных результатов к исследуемому материалу.

Экспериментальная оценка взаимодействия с наплавленным узлом сопряжения - «валом», показало некоторое снижение износостойкости необработанного узла - «подшипника». Однако, при обработке его на режиме «критическом» наблюдается заметное увеличение его износоустойчивости (примерно в 1,5 раза) с последующим её ростом (почти в 2 раза) на режиме «оплавления». В качестве критерия износоустойчивости принималась масса вынесенного в результате износа материала «подшипника».

Износоустойчивость наплавленного слоя также неуклонно возрастает с увеличением уровня энергетического воздействия излучения лазера. Качественная оценка износостойкости «вала»

СИСТЕМНЫМ АНАЛИЗ И ЕГО ПРИЛОЖЕНИЯ

осуществлялась путем анализа профилограмм поверхности износа, по параметрам её шероховатости.

Кроме вышерассмотренной методики оценки триботехнических свойств обработанных таким образом материалов был применен новый способ микроанализа износостойкости [9].

Уникальность этого метода состоит в сравнительном микроанализе износастойкости поверхностных слоев исследуемого образца, включая эталонный (не подвергнутый обработке слой) или основы материала при изучении их покрытий в корреляционной связи со структурными и прочностными характеристиками.

Состояние поверхности объекта подвергнутое такому виду обработки отображает реальную дифференциальную зависимость устойчивости к гидроабразивному и кавитационному износу всех модифицированных и не подвергнутых обработке (эталонных) слоев исследуемого образца в его поперечном сечении.

Кроме оценки параметров износостойкости любых металлов и сплавов, а также неметаллических материалов способ позволяет косвенно оценить твердость, адгезионные и прочностные характеристики различных структурных составляющих, тонких покрытий, композитов и т. п., которые традиционными способами определить не представляется возможным.

Анализ исследуемых параметров осуществляется путем изучения профиля обработанной поверхности, исходя из сопоставления записанных профилограмм или оптическими методами. Их анализ позволяет дать не только качественную оценку стойкости исследуемых зон, но и количественного оценить прирост или снижение относительных показателей, таких как относительная износостойкость е по отношению к эталонному материалу (слою):

е = АЬЭ/АЬИ, где: АЬЭ _ глубина износа, слоя эталонной зоны образца; АЬи _ глубина износа исследуемой зоны.

В качестве эталонной зоны можно использовать показатели исходного (подповерхностного) слоя, не подвергнутого температурному воздействию, сопоставляя при этом показатели стойкости с микроструктурой исследуемых зон микрошлифа. Предложенный способ позволяет вести обработку в стоячих или близких к стоячим звуковым волнам, обеспечивающих равномерный износ исследуемой поверхности при плотности звуковой мощности до 2.3 • 103 Вт/м2.

Предварительные лабораторные испытания подтвердили перспективность данного метода и

косвенно полученные результаты исследований. В качестве УЗ - генератора использовался магнито-стрикционный диспергатор УЗДЛ - 1 с частотой колебаний 22 кГц и мощности излучения 500Вт. В качестве рабочей среды использовалась двухфазная среда (жидкость + абразив). Обработка полученных данных велась путем анализа записанных профилограмм исследуемой зоны. Полученные таким образом усредненные кривые профиля поверхности микрошлифов, подвергнутых лазерному упрочнению, хорошо согласуется с кривой зависимости показателя микротвердости по глубине зоны термического влияния и исходного материала, а также с микроструктурными преобразованиями модифицированного слоя (рис. 4).

Рис. 4. а) Профилограмма поверхности микрошлифа; б) Распределение микротвердости по глубине зоны термического влияния: Зона А - наплавленный слой; Б - Зона перемешивания; В - Исходный материал; АЬэ - износ эталонного слоя;  Ьи - износ испытываемого слоя

Таким образом, взаимная лазерная обработка сопрягаемых поверхностей трения, позволяет существенно повысить износостойкость той или другой детали сопряжения, увеличивая при этом их работоспособность и эксплуатационную надежность.

БИБЛИОГРАФИЯ

11. Банас К. М., Уэбб Р Лазерная обработка материалов : тр. инженеров ин-та по электронике и радиотехнике. 1982. Т. 70, № 6. С. 35-45.

2. Андрияхин В. М., Чеканова Н. Т. Влияние мощного СО2-лазера на структуру и свойства чугунов // Поверхность. Физика, химия, механика. 1983. № 3. С. 129-137.

3. Крапошин В. С. Обработка поверхности металлических материалов лазерным излучением // Поверхность. Физика, химия, механика. 1982. № 3. С. 1-12.

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

4. Упрочнение деталей лучом лазером / В. С. Коваленко, Л. Ф. Головко, Г. В. Меркулов. Киев : Техника, 1981. 132 с.

5. Черноиванов В. И., Архипов В. Е., Биргер Е. М. Некоторые результаты разработки и внедрения лазерных технологий в промышленность // Материалы совещ. М. : НИАТ, 1986. Вып. 2. С. 51-54.

6. Лазерное и электоэрозионное упрочнение материалов / Ковалерико В. Г. Верхотуров А. Д., Головко Л.Ф. М. : Наука, 1986. 276 с.

7. Григорьянц А. Г., Сафонов А. Н. Методы поверхностной лазерной обработки. М. : Высш. шк. 1987. 191 с.

8. Григорьянц А. Г. Основы лазерной обработки материалов. М. : Машиностроение. 1989. 304 с.

9. Пат. 2359245 Российская Федерация. Способ определения кавитационной износостойкости / Шастин В. И., Горовой А. М. ; заявитель и патентообладатель Иркут. высш. воен. авиац. инж. училище (Воен. ин-т) ; 18.09.2007. ; опубл. 12.02.2009.