Совмещение лазерного и ультразвукового воздействий для термообработки поверхности стали

Физика твердого тела

УДК 621.373.826

Г. Д. Гуреев, Д. М. Гуреев

СОВМЕЩЕНИЕ ЛАЗЕРНОГО И УЛЬТРАЗВУКОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЙ ДЛЯ ТЕРМООБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ СТАЛИ

В соотношении с теоретическими предпосылками влияния ультразвука на протекание фазовых превращений и диффузии в условиях высоких скоростей лазерного нагрева и охлаждения экспериментально изучены процессы структурообразования и формирования остаточных напряжений при лазерно-ультразвуковой термообработке поверхности стали. Показано, что при лазерноультразвуковом воздействии формируются более твердые и более глубокие зоны упрочнения. Пластическое деформирование поверхности ультразвуком заметно влияет на полноту протекания процесса аустенитизации и тем самым позволяет эффективно управлять напряженным состоянием поверхности в зоне лазерного воздействия. Оптимизированы условия совмещения лазерного и ультразвукового воздействий в единую схему термообработки поверхности. Продемонстрирована возможность использования ультразвука для локального нагрева зоны лазерного термоупрочнения и целенаправленного изменения ее структурно-напряженного состояния.

Введение. Использование лазерного излучения в качестве поверхностного теплового источника лежит в основе большинства наукоемких лазерных технологий модифицирования поверхности. При этом их практическое применение во многом определяется возможностью реализации гибкого управления формирующимся структурно-напряженным состоянием поверхности. Для решения данной проблемы при термообработке поверхности может быть предложено несколько способов, которые в той или иной мере сводятся к использованию комплексного подхода, опирающегося на общие физические представления об энергетическом подобии в поведении открытой системы «металл - внешнее воздействие» при тепловой и механической накачке энергии и о начале неравновесного фазового превращения при достижении в металле критической величины плотности энергии вне зависимости от способа ее достижения [1]. Одним из таких комплексных подходов является реализация последовательности: пластическое деформирование — лазерная термообработка поверхности. Среди методов пластического деформирования: обкатка шариками или роликами, дробеструйная обработка, обработка ультразвуковым инструментом последний метод является наиболее эффективным в силу своей мно-гоцикличности и легкости встраивания в технологические процессы обработки поверхности высококонцентрированными потоками энергии [2, 3]. Поэтому перспективным представляется использование комбинированного лазерно-ультразвукового источника, реализующего воздействие на металлическую поверхность ультразвуковых колебаний (механической энергии) и лазерного излучения (тепловой энергии). При лазерно-ультразвуковой обработке дозированный ввод ультразвуковой механической энергии должен изменять кинетику протекания процессов фазовых превращений и диффузии и влиять на степень их завершенности в условиях высоких скоростей лазерного нагрева и охлаждения, что и лежит в основе гибкого управления структурно-напряженным состоянием обрабатываемой поверхности. С другой стороны, локальное поглощение ультразвука структурными неоднородностями и превращение при этом механической энергии в тепловую может служить основой ультразвуковой термообработки зон предварительного лазерного воздействия и контролируемого изменения их структурно-напряженного состояния.

В настоящей работе приведены результаты исследований влияния ультразвука на протекание процессов фазовых превращений, структуроообразования и формирования остаточных напряжений при твердофазной лазерной закалке.

Теоретические предпосылки лазерно-ультразвукового упрочнения поверхности. Известно, что температура начала а— превращения в сталях (Ас1) снижается после их пластического деформирования [4, 5]. Эффект объясняется возможной релаксацией части энергии на-

клепа в процессе фазового превращения, вследствие чего равенство термодинамических потенциалов фаз, определяющее температуру фазового равновесия, достигается при меньших температурах. В работе [6] на основе концепции о предельном состоянии вещества в точке фазового перехода и использовании дилатации решетки в качестве меры запасенной материалом энергии получено выражение для энергии наклепа Аи/АТ, релаксация которой приводит к снижению температуры Ас1 на один градус, и само смещение температуры фазового равновесия АТ за счет пластической деформации

2

АТ = —№----------------------------------------------,

аа + ау

где р — плотность дислокаций, а — параметр решетки, аа и аг — коэффициенты линейного термического расширения а- и у—фазы соответственно. Согласно данному выражению для характерных значений предельной плотности дислокаций при пластической деформации р = (2 + 4) • 1012 см-2 максимально возможная величина смещения температуры Ас1 не превышает 50 + 100 °С. Таким образом, предварительное пластическое деформирование поверхности позволяет в пределе расширить область а— у—превращения в стали на 100 °С.

Многократность деформирования при ультразвуковой обработке значительно уменьшает исходную шероховатость поверхности и ведет к возрастанию максимальной глубины деформированного слоя. Вследствие изменения шероховатости и структуры поверхности, ультразвуковая обработка в зоне лазерного воздействия должна повлиять на изменение поглощательной способности поверхности и теплофизических характеристик материала. Это, наряду с изменением кинетики протекания фазовых превращений и диффузии, должно найти свое проявление в изменении геометрических размеров и микродюриметрических характеристик зон лазерного воздействия.

Основные требования к ультразвуковым системам с точки зрения лазерно- ультразвуковой обработки. Исходя из физики и техники мощного ультразвука, основы которых в настоящее время достаточно хорошо изучены [7, 8], можно сформулировать основные требования к ультразвуковым системам для реализации процесса лазерно-ультразвуковой обработки с пластическим деформированием зоны высокой пластичности. Основными параметрами ультразвуковой обработки, определяющими качество поверхностного слоя и, следовательно, эксплуатационные свойства, являются амплитуда колебаний £, усилие прижима Г и частота колебаний /. Эти параметры определяют величину действующих нагрузок и кратность единичных актов пластического деформирования поверхности. Наряду с ними, качество поверхностного слоя определяется также скоростью перемещения V, радиусом закругления инструмента Я и исходной шероховатостью поверхности Яг.

Усилие прижима ультразвукового инструмента можно определить из выражения

Г = ох 5,

где ОТ — предел текучести материала в зоне высокой пластичности, 5 — площадь деформируемой поверхности. Для реальных систем Г ~ 102 + 103 Н.

Амплитуда ультразвуковых смещений может быть оценена из выражения

.

и

Здесь ка — глубина деформированного слоя, G — модуль сдвига. Приняв ка ~ 200 мкм, получим X > 7 мкм.

Для плотности мощности ультразвука можно записать

Яы » Д°т.

Из этого выражения следует, что с целью увеличения Яы при постоянных f и от необходимо увеличивать £. На практике не вызывает особых затруднений получение X ~ 20 + 30 мкм.

Как известно, частота ультразвуковых колебаний определяется свойствами пьезо-(20 + 90 кГц) или магнитострикционных (18 + 22 кГц) преобразователей. В свою очередь, рабочая частота задает геометрические размеры устройств ввода ультразвука. Характерный размер Ь устройства должен быть кратен половине длины волны ультразвуковых колебаний

ПС,

Ь = —,

4яТ

где сх — скорость звука, п — натуральные числа. Следует отметить, что большие размеры устройств ввода ультразвука создают определенные трудности при совмещении их с устройствами

транспортировки лазерного излучения и газа, подачи легирующих элементов и плакирующих добавок.

Возможны две принципиально различные схемы ввода ультразвука при лазерно- ультразвуковой обработке. Это соосная и несоосная с лазерным лучом схемы. К преимуществам соосной схемы можно отнести возможность подачи газа под большим давлением, что важно для инициации плазмохимических реакций (азотирования, цементации и т.п.). Дальнейшее развитие этой схемы может перевести на новую технологическую основу лазерную металлургию, которая в настоящее время требует помещения обрабатываемого изделия в камеру высокого давления. К недостаткам соосной схемы следует отнести трудности, связанные с подачей легирующих элементов и плакирующих добавок в зону лазерного воздействия. Кроме того, пустотелый ультразвуковой инструмент имеет меньшую эффективность по сравнению со сплошным инструментом.

Для процессов лазерно-ультразвукового упрочнения и легирования более предпочтительным является применение несоосной схемы ввода ультразвука. Такая схема, в частности, допускает использование мощных промышленных источников ультразвука, поскольку не накладывает ограничений на их размеры.

Материал, методика и техника эксперимента. В экспериментах использовались образцы из отожженной стали Х12М толщиной 5 мм. В качестве лазерного источника был выбран твердотельный неодимовый лазер непрерывного действия ЛТН-103, мощность которого не превышала 220 Вт. Излучение лазера фокусировалось в пятно диаметром ~ 0,8 мм. Скорость перемещения лазерного луча составляла 4 мм/с.

В ряде экспериментов для увеличения поглощательной способности поверхность образцов перед лазерной термообработкой покрывалась черной типографской краской. Толщина слоя покрытия не превышала 40 мкм.

Ультразвуковое воздействие реализовывалось путем использования ультразвукового генератора УЗГ1-1 и магнитострикционного преобразователя ПМС1-1. Частота ультразвуковых колебаний составляла 22 кГц, амплитуда — до 45 мкм, мощность — до 1 кВт. При пластическом деформировании поверхности к торцу магнитострикционного преобразователя крепился конический концентратор из стали 40Х полуволновой длины с радиусом закругления на конце 2,5; 3,5 или 5,0 мм. Усилие прижима концентратора к поверхности образца составляло 50 Н. Концентратор перемещался по поверхности образца вдоль направления его исходной шлифовки со скоростью 0,5 или 4,0 мм/с. Формировались отдельные проходы шириной ~ 1 мм. При изучении возможности использования ультразвука для локальной термообработки зон предварительного лазерного воздействия в качестве волноводов, которые крепились к торцу магнитострикционного преобразователя, служили сами исследуемые образцы полуволновой длины. Схемы реализации процессов приведены на рис. 1.

Р и с. 1. Схемы лазерно-ультразвуковой обработки поверхности:

1 - объектив, фокусирующий лазерное излучение (а, б); 2 - магнитострикционный преобразователь (а, б); 3 - концентратор (а), образец (б); 4 - образец (а), зона лазерного воздействия (б); 5 - зона лазерно-ультразвуковой обработки (а), локализованная предварительным лазерным воздействием зона термического влияния ультразвука (б); 6 - зона термического влияния

ультразвука

б

а

Особенности формирующегося структурно-фазового состава, геометрические размеры и микромеханические характеристики зон ультразвукового, лазерного и лазерно-ультразвукового воздействий изучались с применением методов металлографии, микродюриметрии и рентгеновского фазового анализа. Для травления поперечных шлифов образцов использовался 4% раствор азотной кислоты в этиловом спирте. Металлографические исследования проводились на микроскопе КеорЬсЛ-ЗО. Микротвердость измерялась на приборе ПМТ-3 при нагрузке 0,98 Н. Запись дифрактограмм осуществлялась на дифрактометре Дрон-3 с использованием К-излучения кобальта. При этом содержание остаточного аустенита определялось методом гомологических пар [9]. Остаточные напряжения в поверхностных слоях образцов измерялись рентгеновским методом 8Іп2у на портативной установке 81гатйех Р8Б-2М по четырем углам у = 0, 10о, 20о и 30о в диапазоне углов 26 = 140 + 170о. В данном случае источником рентгеновского излучения служил хром.

Экспериментальные результаты и их обсуждение. Полученные экспериментальные результаты в полной мере согласуются с теоретическими предпосылками влияния ультразвука на структурно-фазовый состав, геометрические размеры и микродюриметрические характеристики зон лазерного воздействия. Соответствующие данные для лазерно-ультразвукового упрочнения поверхности приведены на рис. 2. Из сопоставления графиков распределения микротвердости по глубине зон лазерного и лазерно-ультразвукового воздействий следует, что лазерноультразвуковая обработка поверхности позволяет формировать более твердые и более глубокие зоны упрочнения. После ультразвукового пластического деформирования поверхности при прочих равных условиях требуется меньшая граничная мощность непрерывного лазерного излучения, при которой достигается температура плавления материала. В основе изменения параметров лазерного источника при лазерно-ультразвуковом воздействии лежит изменение теплофизических характеристик поверхностного слоя в результате его пластического деформирования ультразвуком. Изменение теплофизических характеристик поверхностного слоя и смещение температуры начала фазового а—превращения, проявляющегося в возрастании глубины упрочненной зоны при предварительном пластическом деформировании поверхности, позволяют, практически полностью, отказаться от использования поглощающего покрытия для достижения идентичных геометрических размеров и микродюриметрических характеристик зон лазерного упрочнения.

Ультразвуковое пластическое дефор -мирование поверхности способствует более полной аустенитизации в условиях высоких скоростей лазерного нагрева. В результате в зонах лазерно-ультразвукового воздействия в таких сталях, как высоколегированная сталь Х12М при прочих равных условиях сохраняется большее количество остаточного аустенита, чем в зонах лазерного воздействия. Соответствующие данные приведены в табл. 1. Здесь же представлены величины продольных относительно направления исходной шлифовки поверхности остаточных напряжений сжатия, формирующихся в поверхностных слоях при лазерном, ультразвуковом и лазерно-ультразвуковом воздействиях.

Анализ формирующихся остаточных напряжений показывает, что их знак и величина определяются вкладом термической и структурно-фазовой составляющих.

В поверхностном слое при его пластическом деформировании, в том числе и ультразвуком, формируются остаточные напряжения сжатия, возрастающие по мере возрастания энергии наклепа. Термическая составляющая, обусловленная высокоскоростным лазерным нагревом и последующим быстром охлаждением зоны лазерного воздействия ответственна за формирование напряжений растяжения. Следствием этого является частичная релаксация остаточных напряжений сжатия в зоне лазерного воздействия. Вклад структурно-фазовой составляющей, ответственной за формирование остаточных напряжений сжатия, зависит от степени развития

0 50 100 150 0?, мкм

Р и с. 2. Распределения микротвердости Н098 по глубине г зон лазерного (1, 2) и лазерно-ультразвукового (3, 4) упрочнения исходной поверхности (1, 3, 4) и поверхности с предварительно нанесенным слоем поглощающего покрытия (2): 3 - скорость перемещения концентратора V = 4,0 мм/с; 4 - V = 0,5 мм/с

мартенситного превращения и степени тетрагональности образующегося мартенсита [10]. При возрастании содержания остаточного аустенита содержание мартенсита уменьшается, но при этом доля высокоуглеродистого мартенсита в его общем содержании возрастает, и поэтому по мере развития аустенитизации вклад структурно-фазовой составляющей начинает превалировать над вкладом термической составляющей. Проявление последнего и наблюдается при воздействии непрерывного лазерного излучения, в том числе в сочетании с предварительным пластическим деформированием поверхности. Все это лежит в основе управления структурнонапряженным состоянием поверхности при лазерно-ультразвуковом воздействии.

Т а б л и ц а 1

Содержание остаточного аустенита Ао и величина продольных остаточных напряжений сжатия а в поверхностных слоях зон лазерного (Л) и лазерно-ультразвукового (УЗ + Л) упрочнения при различных значениях плотности мощности лазерного излучения q

ц, 104 Вт/см2 О а, МПа

Л УЗ (V = 4,0 мм/с) + Л УЗ (V = 0,5 мм/с) + Л Л УЗ (V = 4,0 мм/с) + Л УЗ (V = 0,5 мм/с) + Л

0 0 * 0 **) 0 **) - 208 * - 395 ** _ 455 **)

3,8 11.8 12,0 13,7 - 133 - 168 - 190

4,0 18.3 22,5 24,3 - 286 - 350 - 398

4,2 22.5 23,4 26,7 - 355 - 410 - 476

для исходном поверхности;

Практическая реализация лазерно-ультразвукового упрочнения поверхности, в соответствии с приведенной на рис. 1 а схемой, предполагает перемещение лазерного и ультразвукового источников с одной и той же скоростью. Оптимизацию процесса можно осуществить, воспользовавшись, полученными в работе [11], выражениями для формируемой лазерным источником на поверхности образца температуры Т0 и глубины зоны лазерной закалки 7з:

ЦУ(С)(1 - Я) 2й

2й

у[Р

а

1 + -

а

ай

1 +

ай

2рл/рук2

1

Т.

2рТРук2 0 ЦТ

Здесь ц — плотность мощности лазерного излучения; й — диаметр пятна фокусировки; V — скорость перемещения лазерного луча по поверхности образца; Я — коэффициент отражения лазерного излучения поверхностью; 1 и а — коэффициенты теплопроводности и температуропроводности материала образца соответственно; к — толщина образца; у (С = йу/4а) — поправочный коэффициент, учитывающий влияние трехмерности задачи; Тз — температура закалки или температура инструментального начала процесса аустенитизации. При расчетах использовались следующие значения параметров: й = 0,8 мм; Я = 0,4; 1 = 28 Вт/м-град; а = 610-6 м2/с; к = 5 мм; уС) = 0,1; Тз = 960 °С. Температура закалки Тз определялась по кривой 1 рис. 2. При этом следует отметить, что, в соответствии с кривыми 3 и 4 рис. 2, предварительное деформирование поверхности образца ультразвуком ведет к уменьшению Тз на ~ 20 и ~ 40 °С, соответственно.

Результаты расчета представлены на рис. 3 и 4: для случая максимально реализуемой плотности мощности лазерного излучения (рис. 3) и для случая задания такой плотности мощности лазерного излучения, при которой обработка с минимальной скоростью не ведет к оплавлению поверхности и когда, при этом, обеспечивается предварительная пластическая деформация поверхности ультразвуком на максимальную глубину (рис. 4). Анализ полученных результатов показывает, что преимущества комбинированного лазерно-ультразвукового источника оптимально реализуются при максимальной плотности мощности лазерного излучения 4,2-104 Вт/см2 и скорости обработки 2 + 3 мм/с.

Использование ультразвука для локальной термообработки зон предварительной лазерной закалки по схеме рис. 1 б показало, что для заданного материала температура нагрева и ширина зоны термического влияния при фиксированных параметрах ультразвукового источника определяются геометрическими размерами и структурно-фазовым составом зон лазерного воздействия, т.е. параметрами лазерного источника. Оптимизация процесса здесь предполагает постановку и решение конкретной технологической задачи.

- 400

23,

мкм

200

800

0 1 2 3 4 V, мм/с

0,2 0,4 0,6 0,8 1 V, мм/с

Р и с. 3. Температура поверхности образца в зоне лазерного воздействия Т0 (1) и глубина зоны лазерной закалки гз (2) в зависимости от скорости перемещения луча V при плотности мощности лазерного излу-

Р и с. 4. Температура поверхности образца в зоне лазерного воздействия Т0 (1) и глубина зоны лазерной закалки 2з (2) в зависимости от скорости перемещения луча V при плотности мощности лазерного излу-

чения ц = 4,2-104 Вт/см'

і4 о™/™ Л

чения ц = 2,2-104 Вт/см'

\4 Т>гг,/™Л

Заключение. Таким образом, в соотношении с теоретическими предпосылками экспериментально выявлены закономерности формирования структурно-фазового и напряженного состояния поверхности в зонах совмещенного лазерно-ультразвукового воздействия. Показано, что при последовательном воздействии ультразвукового и лазерного источников формируются более твердые и более глубокие зоны упрочнения. Оптимизированы условия совмещения лазерного и ультразвукового воздействий в единую схему термообработки поверхности.

Реализована схема локальной термообработки ультразвуком зон предварительной лазерной закалки. Оптимизация схемы по температуре нагрева и ширине зоны термического влияния предполагает подбор параметров ультразвукового источника, исходя из конкретной технологической задачи, решение которой основано, в частности, на задании геометрических размеров и структурно-фазового состава локально термообрабатываемых участков поверхности.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Хакен Г. Иерархия неустойчивостей в самоорганизующихся системах и устройствах. М.: Мир, 1985. 419 с.

2. Абрамов О. В., Добаткин В. И., Казанцев В. Ф. и др. Воздействие мощного ультразвука на межфазную поверхность металлов. М.: Наука, 1986. 278 с.

3. Волгин М. Ф., Калашников В. В., Нерубай М. С., Штриков Б. Л. Применение ультразвука и взрыва при обработке и сборке. М.: Машиностроение, 2002. 264 с.

4. Гриднев В. Н., Мешков Ю. Я., Ошкадеров С. П., Трефилов В. И. Физические основы электротермического упрочнения стали. Киев: Наукова Думка, 1973. 334 с.

5. Дьяченко С. С. Образование аустенита в железоуглеродистых сплавах. М.: Металлургия, 1982. 127 с.

6. Медников С. И., Гуреев Д. М. К вопросу о снижении температуры начала фазового превращения в сталях под действием пластической деформации // Письма в Журнал Технической Физики, 1992. Т. 18, № 5. С. 25 - 27.

7. Основы физики и техники ультразвука. М.: Наука, 1987. 352 с.

8. Попилов Л. Я. Справочник по электрическим и ультразвуковым методам обработки материалов. М.: Машгиз,.

9. МиркинЛ. И. Справочник по рентгеноструктурному анализу поликристаллов. М.: Физматгиз, 1961. 864 с.

10. Гуреев Д. М. Формирование остаточных напряжений при лазерной термообработке стали ХВГ // Физика и Химия Обработки Материалов, 1993. № 1. С. 31 - 38.

11. Гуреев Г. Д., Гуреев Д. М. Лазерное и лазерно-ультразвуковое упрочнение поверхности металлических пластин // Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер.: Физ.-мат. науки, 2005. Вып. 30. С. 90-94.

1963. 480 с.

Поступила 27.04.2006г.