СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ И КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ ОБЪЕМНОГО ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО УПРОЧНЕНИЯ (ОИЛУ)
INCREASING PHYSICAL-MECHANICAL PROPERTIES OF TOOL AND STRUCTURAL STEELS BY VOLUMETRIC PULSED LASER HARDENING

Изобретение относится к области получения материалов с новыми свойствами, в частности при изготовлении и ремонте различных машин и механизмов.
2
Известен способ упрочнения режущего инструмента из быстрорежущей стали ударной лазерной обработкой (А.с. №1078939 А (СССР)), заключающийся в том, что после термической обработки производят ударную лазерную обработку с плотностью энергии 5-30 Дж/мм.
Данный способ может применяться только для быстрорежущих инструментальных сталей.
Известен также способ поверхностной импульсной лазерной обработки материалов (Коваленко В.С. Упрочнение деталей лучом лазера. - Киев: Техника, 1981. - 131 с.; SU 1752514 A1 07.08.1992; А.Г.Григорьянц, А.Н.Сафонов. Основы лазерного термоупрочнения сплавов. - М.: Высшая школа, 1988, кн.3, с.98-102, 118-119, кн.6, с.106-107, 124; технология «Laser shot peening». Институт лазерной физики (г.Санкт-Петербург)), который представляет собой последовательную закалку материала изделия при облучении лазером. Основные недостатки поверхностной импульсной лазерной обработки изделий следующие:
- одновременное упрочнение нескольких поверхностей недопустимо;
- прилегающие поверхности после импульсной лазерной обработки ослаблены против действия сил хрупкого разрушения;
- процесс продолжителен во времени (за счет многократного облучения одного изделия) и требует значительных энергетических затрат;
- при износе или переточке изделия упроченный слой удаляется.
Зоны упрочнения материала различными методами с использованием лазера показаны на фиг.1, где 1 - методы ударной и импульсной лазерной обработки (1-3 мм); 2 - метод объемного импульсного лазерного упрочнения (18-30 мм).
В патенте RU 2460811 C1 «Способ повышения работоспособности твердосплавного режущего инструмента методом импульсной лазерной обработки» предложен метод объемного импульсного лазерного упрочнения (далее - ОИЛУ) для упрочнения инструментов из твердых сплавов. В данном патенте рассматриваются общие подходы использования ОИЛУ для различных материалов. Кроме того, термин «импульсная лазерная обработка» принято использовать для обозначения поверхностной термической обработки с применением лазера импульсного действия [Яресько С.И. Физические и технологические основы упрочнения твердых сплавов. - Самара: изд-во Самарского научного центра РАН, 2006. - 244 с.]. Для исключения возможного недопонимания нами предлагается название разработанного метода - «Объемное импульсное лазерное упрочнение» [Пинахин И.А. Объемное импульсное лазерное упрочнение режущих инструментов. Твердые сплавы. LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG., 2012. - 122 с.].
Основной задачей, на решение которой направлен заявленный способ, является повышение технического ресурса изделий при наименьших энерго- и трудозатратах.
Технический результат изобретения заключается в получении материалов с улучшенными физико-механическими свойствами, которые после износа или переточек сохраняются.
10
11
-6
-3
-3
-3
Указанный технический результат достигается тем, что в способе объемного импульсного лазерного упрочнения инструментальных и конструкционных материалов изделие подвергается лазерной обработке с использованием лазера импульсного действия при полезной энергии импульса 60-500 Дж (плотность мощности импульса 1,2·10-4,3·10), длина волны 1,064·10 м, продолжительность импульса 0,8·10 с, диаметр луча 1,2·10-2,5·10 м, расстояние от места облучения до упрочняемой поверхности 12-30 мм.
Схемы упрочнения изделий по прототипу и заявленному способу представлены на фиг.2, где 3 - лазер импульсного действия; 4 - упрочняемое изделие; 5 - приспособление для установки упрочняемого изделия.
-3
Способ упрочнения твердосплавного режущего инструмента заключается в следующем. На лазере импульсного действия 1 устанавливается режим генерации импульса с энергией от 100 до 500 Дж (в зависимости от вида и типоразмера режущего инструмента) и длительностью 0,8·10 с. Световой импульс фокусируется на поверхность упрочняемого изделия 2, который закреплен в приспособлении 3. Облучение производится однократным импульсом. Место облучения зависит от материала, формы и назначения упрочняемого изделия. Так, например, для режущего инструмента облучение производится по передней поверхности для сменных пластин или по задней вспомогательной поверхности для напайных пластин.
В результате облучения наблюдается изменение микроструктуры материала за счет прохождения ударной волны, что подтверждают данные рентгеноструктурного анализа. Это приводит к повышению физико-механических свойств упрочняемого материала. На фиг. 3 показан механизм объемного импульсного лазерного упрочнения.
Проведенные экспериментальные испытания инструментальных материалов (твердых сплавов, быстрорежущих сталей) показали, что объемное импульсное лазерное упрочнение повышает их прочность в 1,2-1,3 раза, абразивную износостойкость в 1,3-1,4 раза и уменьшение коэффициента вариации износа в 1,5 раза, что приводит к следующим результатам промышленных испытаний:
- повышению стойкости режущих инструментов в 2,0-2,5 раза;
- уменьшению коэффициента вариации стойкости в 1,3-3,1 раза;
- повышению гамма-процентной стойкости в 1,7-2,8 раза;
- уменьшению количества выкрашиваний, поломок в зоне приработки режущего инструмента в 2,7 раза;
- повышению величины оптимальной подачи в 1,2-1,3 раза;
- повышению производительности в 1,1-1,2 раза.
Следует также отметить, что упрочнение носит объемный характер, так, например, при пяти переточках наблюдается повышение стойкости режущего инструмента в 5-7,5 раз, повышение производительности обработки на 20-40% без дополнительных трат времени и средств на упрочнение. Кроме того, повышение стабильности свойств режущего инструмента (коэффициент вариации стойкости, гамма-процентная стойкость) позволяет применять его в условиях автоматизированного производства.
В качестве проверки предлагаемого способа в сравнении с прототипом были проведены испытания проходных резцов при следующих условиях:
- обрабатываемый материал - серый специальный чугун К-1;
- инструментальный материал - твердый сплав ВК6;
- режущий инструмент - проходной резец с напайной пластиной (γ=10°, α=8°, φ=60°),
- обрабатывающее оборудование - станок МК 6026;
- операция - расточка-обточка по копиру;
- обрабатываемая поверхность - литейная корка;
- обрабатываемая деталь - кольцо поршневое D=150÷110 мм, δ=3÷6 мм;
- режимы резания: скорость резания ν=42 м/мин, подача S=0,15 мм/об, глубина резания t=1,0 мм;
11
2
-6
-3
-3
- режимы упрочнения: плотность мощности облучения 1,25·10 Вт/м, длина волны: 1,064·10 м, продолжительность импульса: 0,8·10 с, диаметр луча: 2,0·10 м, расстояние от главной режущей кромки до места облучения 14,8 мм; место облучения - вспомогательная задняя поверхность; число импульсов - 1.
Также было выявлено влияние объемного импульсного лазерного упрочнения на структуру и свойства конструкционных сталей. В качестве примера рассмотрено влияние объемного импульсного лазерного упрочнения на армко-железо. Слиток армко-железа размером 10×10×100 миллиметров был получен индукционным переплавом в вакууме. Вырезанные из этого слитка образцы размером 10×10×20 миллиметров отожжены в печи при температуре 1050°С в течение часа и охлаждены с печью. Поверхность образцов после отжига протравлена в азотной кислоте для удаления окалины без внесения каких-либо искажений в микроструктуру и свойства поверхности (ГОСТ 5639-82). Металлографический анализ, проведенный на микроскопе inVia Raman Microscope при увеличении ×200, и измерение микротвердости при помощи твердомера ПМТ-3 согласно ГОСТ 9450-76 показали, что все образцы имеют одинаковую крупнозернистую структуру и допускаемые отклонения значений микротвердости (±5%).
-6
-3
-3
-3
10
11
2
-3
10
2
Облучение образцов проводилось на лазере ГОС 1001 при следующих рабочих режимах: длина волны 1,064·10 м, продолжительность импульса 0,8·10 с, диаметр луча лазера 1,2·10-2,5·10 м, полезная энергия облучения 50-150 Дж (плотность мощности облучения 10-1,3·10 Вт/м). После облучения поводился металлографический анализ образцов и измерение их микротвердости. Результаты позволили выявить экстремум изменения структуры и микротвердости образцов, который соответствует диаметру луча лазера 1,4·10 м, полезной энергии облучения 80 Дж (плотность мощности облучения 6,4·10 Вт/м).
На фиг.4 (исходный образец) и фиг.5 (образец, прошедший ОИЛУ (расстояние от места облучения 15 миллиметров)) показано, что для облученных образцов наблюдается дробление исходных зерен на более мелкие фрагменты, что, как правило, приводит к изменению физико-механических свойств материалов, появлению внутренних напряжений и т.д.
На фиг.6 показана зависимость коэффициента изменения микротвердости от расстояния от места облучения. Коэффициент изменения микротвердости определялся по формуле:
<mrow><msub><mi>K</mi><mrow><mi>H</mi><mi>V</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>H</mi><msub><mi>V</mi><mrow><mi>О</mi><mi>И</mi><mi>Л</mi><mi>У</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mi>H</mi><msub><mi>V</mi><mrow><mi>и</mi><mi>с</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>                               </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
исх
ОИЛУ
где HV и HV - соответственно микротвердость по Виккерсу неупрочненных и прошедших ОИЛУ образцов.
HV
Как видно из фиг.6 (доверительный интервал: ΔK=±0,0224) наблюдается повышение микротвердости армко-железа после ОИЛУ. При этом максимум увеличения микротвердости (10%) соответствует расстоянию 16 миллиметров от места облучения.
Чертеж режущего инструмента, на котором обозначены место облучения и расстояние от места облучения до главной режущей кромки показан на фиг.7.