Повышение эксплуатационных характеристик деталей из чугунов с применением закалки оптоволоконным лазером

УДК621.789

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДЕТАЛЕЙ ИЗ ЧУГУНОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЗАКАЛКИ ОПТОВОЛОКОННЫМ ЛАЗЕРОМ

© 2015

П. А. Огин, аспирант

Тольяттинский государственный университет, Тольятти

Аннотация. В работе рассматривается проблема износостойкости рабочих поверхностей деталей машин и технологической оснастки. Применение в качестве основы деталей машин сравнительно недорогих материалов позволяет существенно снизить затраты на их изготовление. В частности, в качестве недорогой альтернативы стали уже давно применяется чугун. Однако зачастую недорогие материалы, в частности чугун, не могут работать при требуемых нагрузках, поэтому повышение физико-механических характеристик этих материалов является актуальной задачей. Одним из наиболее интенсивно развивающихся методов повышения износостойкости поверхностей трения является лазерная закалка. Применение в качестве источников современных оптоволоконных лазеров позволяет значительно повысить гибкость производственной системы с возможностью доставки луча в наиболее труднодоступные участки для обработки за счет использования оптического волокна. В статье приводятся результаты экспериментального исследования влияния параметров лазерной обработки оптоволоконным лазером при работе в непрерывном режиме на состояние поверхностного слоя чугунов СЧ21 и ВЧ-50-75. При проведении экспериментальных исследований использовали оптоволоконный лазер ЛКД4-015.150. Обработку производили в непрерывном режиме с частичным оплавлением поверхности обработки. В качестве образцов использовали пластины с размерами 15^15x3 мм. В качестве травителя использовали 4 % раствор азотной кислоты HNO3 в этиловом спирте. Микротвердость измеряли при помощи микротвердомера Shimadzu HMV-2. Структуру полученных образцов изучали на микроскопе Zeiss AXIO Observer.Dlm, а также на электронном сканирующем микроскопе Zeiss LEO1455VP. В ходе работы был произведен анализ структуры зоны лазерной обработки.

Ключевые слова: зона термического влияния, лазерная закалка, оптоволоконный лазер, микротвердость, термоупрочнение.

В условиях постоянного совершенствования технологий изготовления деталей машин, приоритетное направление занимают технологии, связанные с улучшением физико-механических свойств изнашиваемых поверхностей. Использование в качестве основы деталей машин недорогих материалов, к которым в частности относятся чугуны, с улучшением изнашиваемых поверхностей за счет различных методов, позволяет значительно снизить себестоимость детали при возможности ее эксплуатации в течение рекомендуемого периода [1, 2]. Формирование специальных структур в поверхностном слое деталей, повышающих их износостойкость, является актуальной задачей.

В последнее время наиболее активно развиваются технологии повышения износостойкости деталей машин и технологической оснастки, связанные с применением лазерного луча [3-17]. Уникальные особенности лазерного луча позволяют производить обработку локальных участков изнашиваемой поверхности без ущерба для других. Предварительно проведенные исследования лазерной закалки чугунов позволяют утверждать о значительном повышении микротвердости обработан-

ной поверхности, что позволяет существенно повысить ее фрикционные свойства [ 18-22].

Высокая плотность мощности в зоне обработки, возможность доставки луча по оптическому волокну для обработки наиболее труднодоступных участков, высокая локальность зоны обработки являются наиболее явными преимуществами современных оптоволоконных лазеров, в сравнении с газовыми и твердотельными [23-25].

Целью работы являлось определение влияния параметров лазерной упрочняющей обработки оптоволоконным лазером при работе в непрерывном режиме на структуру и свойства серого чугуна СЧ21 и высокопрочного чугуна ВЧ-50-75.

В процессе экспериментального исследования изучали процесс лазерной закалки образцов чугунов СЧ21 и ВЧ-50-75 при помощи оптоволоконного и ттербиевого квазинепрерывного лазера ЛКД4-015.150 в режиме непрерывного действия. Плотность мощности составила 4,5x103 Вт/см2, скорость обработки 10 мм/с. Обработку образцов проводили с частичным оплавлением поверхности. После обработки изготавливали микрошлиф поперечного сечения образца. Микротвердость измеряли при помощи микротвердомера Shimadzu HMV-2

55

при нагрузке индентора 20 гс. Структуру образцов изучали на микроскопе Zeiss AXIO Observer.D1m, а также при помощи электронного сканирующего микроскопа Zeiss LEO1455VP.

На рисунке показаны поперечные сечения зоны обработки чугунов СЧ21 и ВЧ-50-75.Как видно из рисунка, при одинаковой интенсивности лазерного излучения для серого чугуна характерно распространение зоны термического влияния (ЗТВ) на глубину до 250 мкм. При этом распространение ЗТВ в высокопрочном чугуне происходит на глубину не более 150-160 мкм.

При измерении микротвердости обработанных участков была изучена получаемая структура. Так, для серого чугуна основу составляют перлит, феррит, а также пластинчатый графит с микротвер-

достью до 280 Hv. В зоне оплавления наблюдается ледебурит. Измеренная микротвердость зоны оплавления доходит до 500 Hv. ЗТВ состоит преимущественно из мартенсита, остаточного аустенита с небольшими включениями троостита. Микротвердость ЗТВ доходит до 840 Hv.

Для высокопрочного чугуна в основе свойственно наличие перлита, феррита, а также шаровидного графита с микротвердостью до 340-450 Hv. В зоне оплавления присутствуют участки ледебурита, а также остаточный аустенит. Микротвердость зоны оплавления доходит 600 Hv. ЗТВ преимущественно состоит из мартенсита, с небольшими включениями остаточного аустенита. Микротвердость ЗТВ доходит до 930 Hv.

а) б)

Рисунок 1 - Поперечные сечения зоны обработки а) чугун СЧ21; б) чугун ВЧ-50-75

Исследования лазерной закалки оптоволоконным лазером при работе в непрерывном режиме чугунов СЧ21 и ВЧ-50-75 позволили сделать заключение о возможности применения оптоволоконных лазеров для повышения эксплуатационных характеристик деталей машин и технологической оснастки, которые могут быть изготовлены из недорогих материалов, в частности серых и высокопрочных чугунов. В ходе экспериментальных исследований удалось повысить в зоне обработки микротвердость серого чугуна СЧ21 в 3 раза, высокопрочного чугуна ВЧ-50-75 в 2 раза. При этом наибольшие показатели микротвердости наблюдаются у высокопрочного чугуна. В целом полученная микротвердость высокопрочного чугуна в среднем на 10 % выше, чем у серого чугуна марки СЧ21.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Матвеев Ю. И., Казаков С. С. Особенности

лазерной обработки поршневых колец судовых среднеоборотных дизелей // Вестник АГТУ. Сер.: Морская техника и технология. № 2. 2010.

С.34-38.

2. Кострицкий В. В., Лисовский А. Л. Лазерная обработка гильз цилиндров // Вестник Брестского государственного технического университета. № 4. 2012. С. 46-49.

3. Огин П. А., Васькин К. Я. Повышение ресурса мелкоразмерного инструмента за счет модификации изнашиваемых поверхностей при помощи оптоволоконного лазера // Труды IV Межд. науч.-техн. конференции (Резниковские чтения). 2015. Часть 1. С. 143-145.

56

4. Григорьянц А. Г., Щиганов И. Н., Мисю-ров А. И. Технические процессы лазерной обработки. МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2006. 664 с.

5. Пинахин И. А., Тоескин С. А. Выбор режимов объемного импульсного лазерного упрочнения (ОИЛУ) по износостойкости режущих инструментов // Вестник Северо-Кавказского федерального университета. № 2 (35). 2013. С.78-81.

6. Яресько С. И., Горяинов Д. С. Моделирование процесса лазерного упрочнения режущего инструмента // Известия Самарского научного центра Российской академии наук, Т. 13. № 4 (3). 2011. С.921-926.

7. Яресько С. И. Анализ стойкости и изнашивания твердосплавного инструмента после лазерной термообработки // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. Т. 3. № 1. 2001. С. 27-37.

8. Ситкина Л. П., Яресько С. И. Эффективность технологии лазерной упрочняющей обработки в инструментальном производстве// Известия Волгоградского государственного технического университета. Т. 9. № 7 (110). 2013. С. 40-43.

9. Lee J.-H., Jang J.-H., Joo B.-D., Son Y.-M., Moon Y.- H. Laser surface hardening of AISI H13 tool steel // Transactions of Nonferrous Metals Society of China (English Edition). 2009. Vol. 19. № 4. P.917-920.

10. Kim J.-D., Lee M.-H., Lee S.-J., Kang W.-J. Laser transformation hardening on rod-shaped carbon steel by Gaussian beam // Transactions of Nonferrous Metals Society of China (English Edition). 2009. Vol. 19. № 4. P. 941-945.

11. Горынин В., Кондратьев С., Попов В. Лазерное модифицирование трибологических свойств сталей и цветных сплавов. // Фотоника. № 3. 2010. С. 26-32.

12. Магин Д. Ю., Костромин С. В. Исследование структуры и свойств высокопрочной теплостойкой стали после объемной термической обработки и лазерного поверхностного упрочнения. // Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р. Е. Алексеева № 4 (101). 2013. С.256-261.

13. Чирков А. Лазерно-плазменное наноструктурирование поверхностных слоев сталей при

атмосферных условиях // Фотоника. 2008. № 4. С.28-30.

14. Синяков К. А. Влияние скорости нагрева на структуру и свойства инструментальных сталей. // Инструмент и технологии. № 5. 2008.С. 151-158.

15. Бирюков В. Восстановление и упрочнение поверхностей лазерным излучением. // Фотоника. № 3. 2009. С. 14-16.

16. Бирюков В. Изменение структуры и свойств сталей при лазерном упрочении. // Фотоника. № 3 (33). 2012. С. 22-26.

17. Adel K. M., Dhia A. S., Ghazali M. J. The effect of laser surface hardening on the wear and friction characteristics of acicular bainitic ductile iron // International Journal of Mechanical and Materials Engineering. 2009. Vol. 4. № 2. P. 167-171.

18. Майоров В. С. Лазерное упрочнение металлов // Лазерные технологии обработки материалов: современные проблемы фундаментальных исследований и прикладных разработок. М. : ФИЗМАТЛИТ, 2009. С. 439-469.

19. Григорьян А. Г. Основы лазерной обработки материалов. М. : Машиностроение. 1989. 304 с.

20. Гилев В. Г., Морозов Е. А., Пуртов И. Б., Русин Е. С. Исследование микроструктуры и микротвердости зон лазерного оплавления чугуна НИРЕЗИСТ ЧН16Д7ГХ // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. Т. 16. № 6. 2014. С.227-233.

21. Огин П. А. Структура и свойства зон перекрытия при лазерной закалке сталей и чугунов // Ве ктор науки ТГУ. № 2 (32-2). 2015. С. 130-135.

22. Малышев В. И., Бойченко О. В., Огин П. А. Модификация поверхности сталей и чугунов при помощи оптоволоконного лазера // Сборник научных трудов Sworld. № 4. 2014. С. 56-61.

23. Скрипченко А. И. Тестирование процесса закалки сталей излучением волоконных лазеров // РИТМ. № 5 (29). 2007. С. 52-53.

24. Попов В. Лазерное упрочнение сталей: сравнение волоконных и СО2-лазеров // Фотоника. № 4. 2009. С. 18-21.

25. Сомонов В. В., Цибульский И. А. Эффективность использования волоконных лазеров для лазерной закалки изделий в промышленности // Металлообработка. № 1 (79). 2014. С. 9-12.

57

IMPROVING PERFORMANCE PARTS OF CAST IRON USING FIBER LASER HARDENING

© 2015

P. A. Ogin, post-graduate student

Togliatti state university, Togliatti

Abstract. The paper considers the problem of wear resistance of working surfaces of machine parts and tooling. The use as a base machine parts are relatively inexpensive materials can significantly reduce the cost of their production. In particular, in steel as an inexpensive alternative to iron is used for a long time. However, often inexpensive materials, such as iron, can’t operate at the required loads, so improving the physical and mechanical characteristics of these materials is an urgent task. One of the most intensively developing methods to increase the wear resistance of the friction surfaces is a laser hardening. The use as sources of modern fiber laser can dramatically increase the flexibility of the production system to deliver the beam in the most remote sites for processing by the use of optical fibers. The article presents the results of an experimental study of the influence of parameters of laser processing optical fiber laser in continuous mode, the state of the surface layer of iron SCH21 and HF 50-75. In carrying out experimental studies using a fiber optic laser LKD4-015.150. The treatment was carried out in a continuous mode with partial surface melting treatment. The samples used plate sizes 15^15^3 mm. As an etchant used 4 % solution of nitric acid HNO3 in ethanol.Microhardness was measured with a Shimadzu micro durometer HMV-2. The structure of the obtained samples were examined on a microscope Zeiss AXIO Observer.D1m, and a scanning electron microscope Zeiss LEO1455VP. During the analysis of the structure was produced laser processing zone.

Keywords: fiber optic laser, heat-affected zone, laser hardening, thermohardening, microhardness.

УДК 621.18: 62-529: 62-69

ПЕРЕОБОРУДОВАНИЕ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ НЕБОЛЬШОГО ПОСЁЛКА

© 2015

В. П. Певчев, доктор технических наук, профессор кафедры «Промышленная электроника»,

А. Н. Тихонов, студент магистратуры направления «Электроника и наноэлектроника», Тольяттинский государственный университет, Тольятти

И. И. Тихонова, инженер-проектировщик ООО «АНТАИЛ», Тольятти

Аннотация. Рассмотрены задачи управления газовым и котельным оборудованием небольшого по численности посёлка, возникающие при перевооружении котельных, отработавших срок безопасной эксплуатации. При проведении подобных работ тепловая схема остаётся без изменений. Замене подлежит котёл, горелка и их встроенная автоматика. Выполнен анализ тепловой схемы котельной санатория «Лесное» городского округа Тольятти. Определено необходимое количество уровней управления, а также входных и выходных сигналов системы управления. С учётом специфических требований заказчика модернизации указанной котельной использование контроллеров, запрограммированных для управления строго определёнными тепловыми схемами, оказалось невозможным. Исходя из анализа тепловой схемы котельной, была предложена двухуровневая структура системы управления ею, построенная на двух свободно программируемых контроллерах отечественного производства.

Ключевые слова: горелка, горячее водоснабжение, двухуровневый программируемый контроллер, котёл, котельное оборудование, система управления, теплоснабжение, тепловая схема котельной, диспетчеризация, энергетика.

Известно, что бережливое расходование природных ресурсов являлось и является приоритетным направлением для энергетики. Принятие Федерального закона РФ от 23.11.2009 № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности» мотивирует общество к бережливому расходованию ресурсов. Одним из шагов на пути исполнения этого закона является использование приборов учёта. Следующий - это

поиск решений по снижению издержек на основе анализа результатов измерений. А это не возможно без комплексной оценки ситуации [1-3], без возможности автоматизированной обработки информации в едином центре. Централизация оперативного контроля и управления теплоснабжением, основывается на применении современных средств передачи и обработки информации. С их помощью согласовывается работа отдельных звеньев управ-

58