автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.07, диссертация на тему:Повышение износостойкости пар трения скольжения лазерной обработкой

ол

АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ АН БЕЛАРУСИ

УДК 621.78; 621.179.2; 539.375.6; 669.018;

ЛИСОВСКИЙ АЛЕКСАНДР ЛЕОНИДОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ПАР ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКОЙ

Специальность 05.03.07 "Оборудование и технология лазерной обработки материалов"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск - 1996

АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ АН БЕЛАРУСИ

УДК 621.78; 621.170.2; 539.375.6; 669.018;

Экз. №

ЛИСОВСКИЙ АЛЕКСАНДР ЛЕОНИДОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ПАР ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКОЙ

Специальность 05.03.07 "Оборудование и технология

лазерной обработки материалов".

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск - 1996

Работа выполнена в Физико-техническом институте Академии Наук Беларуси и Полоцком государственном университете

НАУЧНЫЕ РУКОВОДИТЕЛИ:

академик Академии Наук Беларуси,

доктор технических наук, профессор С А. Астапчик доктор технических наук, профессор Ф.И. Пантелеенхо

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: доктор технических наук А. И. Гордиенко

кандидат технических наук О. Г.Девойао

ОППОНИРУЮЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

- Минский автомобильный завод

Зашита диссертации состоится "ШанЛ. 1996 г. в /¿7 часов

на заседании докторского Совета Д 01.18.01 в зале заседаний ФТИ АН Беларуси по адресу: 220730, г. Минск, Академгородок, ул. Жодинекая, д.4, ФТИ АН Беларуси Ваш отзыв, заверенный печатью, просим выслать по указанпому адресу. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Фнзяхо - технического института АН Беларуси.

Автореферат разослан " 1996г.

Ученый секретарь совета по защите диссертаций, доктор технических наук

М.К. Мицкевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Важное место в проблеме надежности и долговечности машин отводится задаче повышения износостойкости их деталей. Эта задача может решаться конструктивно (путем уменьшения нагрузок, улучшения условий смазки и уплотнения), а также технологическими и эксплуатационными средствами.

Анализ эксплуатации машин показывает, что величина износа пар трения машин обусловливается свойствами поверхностного слоя деталей. Поэтому важной народнохозяйственной задачей является разработка и совершенствование технологических методов повышения эксплуатационных свойств поверхностных слоев пар трения. Перспективным методом упрочнения является лазерный нагрев и создание в поверхностном слое мета-стабильных структур, которые увеличивают износостойкость пар трения в 27 раз. Лазерное излучение позволяет осуществить локальное поверхностное упрочнение только рабочих поверхностей пар трения при малом времени теплового воздействия, а значит и минимальном короблении деталей. Это приводит к экономии энергии, материалов и трудовых ресурсов. Однако лазерная обработка на существующем уровне ее развития имеет ряд существенных недостатков, что ограничивает ее широкое применение. Это невысокий коэффициент полезного действия, низкая производительность и воспроизводимость обработки, большая трудоемкость технологического процесса. Практически отсутствуют сведения о специальных материалах, предназначенных для упрочнения лазерной обработкой, которые работают в условиях трения скольжения. Традиционно используемые в настоящее время самофлюсующиеся сплавы на никелевой основе из-за их высокой стоимости и высокого коэффициента отражения применять для такой технологии нецелесообразно. Номенклатура же самофлюсующихся порошков на железной основе крайне ограничена, к тому же в республике они не выпускаются. Поэтому разработка технологии как локального упрочнения, так и получения с лазерным нанесением экономнолегированного безникелевого порошка является весьма актуальным и перспективным направлением. Выполнение настоящей работы осуществлялось в соответствии с заданием межвузовской целевой комплексной научно-технической программы "Порошковая металлургия" на 1981-1985 годы (приказ Минвуза СССР N 610 от 8.06.81 г.), 1986-1990 годы (приказ Минвуза СССР N 600 от 18.08.86 г.) и по заказу Министерства народного образования и науки Республики Беларусь на 1990-1995 годы.

Цель работы: разработка технологии лазерного термоупрочнения, в том числе самофлюсующимися сплавами на железной основе, для

повышения износостойкости рабочих поверхностей пар трения скольжения. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать тепловые процессы и установить закономерности влияния технологических покрытий и режимов лазерной обработки сталей импульсным лазером "Квант-16" и непрерывным СОг-лазером "Кипр -1"

2. Установить основные закономерности получения самофлюсующихся порошков на основе железа и их свойства, разработать технологию получения их для лазерной обработки.

3. Исследовать особенности лазерного воздействия на порошковые материалы, структуру и свойства лазерного покрытия из самофлюсующихся порошков на основе железа.

4. Исследовать износостойкость деталей пар трения скольжения, упрочненных лазерной обработкой

5. Разработать технологию лазерного упрочнения мелких деталей пары скольжения осей пильных цепей, исследовать свойства деталей с упрочненными слоями.

6. Создать и апробировать в производстве разработанные порошковые материалы, оборудование и технологии лазерной обработки пар трения скольжения.

Методы исследований. Основные задачи решались экспериментальным и теоретическим путями с учетом накопленного опыта в данной области. Структуру, фазовый и химический состав порошков и покрытий исследовали металлографическим, рентгеноструктурным и дюро-метрическим методами анализа. Металлографические исследования порошков проводили на микроскопах ММР-2Р, МИМ-7, а также на РЭМ "Ыапо1аЬ-7" фирмы "ОрЮп"(ФРГ) со спектрометром энергетических дисперсий и программой количественного анализа "01р1тар". Толщину диффузионного слоя на частицах порошка исследовали с помощью оптического микроскопа ММР-2Р на микрошлифах, изготовленных по ГОСТ 9.302-79. Насыпную плотность определяли по ГОСТ 19440-74, текучесть - по ГОСТ 20899-75. Химический состав самофлюсующихся порошков определяли по методике НПО "Тулачермет" на установке "Ро1ууаг-Е977" (Великобритания), а также с помощью газоанализатора АН-75-29.

Физико-механические свойства порошков оценивали по стандартным методикам: форму порошка - по ГОСТ 25849-83, гранулометрический состав и размер порошка - по ГОСТ 18318-73, а также по ГОСТ 23402-78, микротвердость - на ПМТ-3 по ГОСТ 9450-76.

Научная иовизна.

1.На основании теоретических и экспериментальных исследований распределения температуры при обработке деталей пар трения на установках "Квант - 16" и "Кипр - 1" установлен механизм охлаждения упрочняемо-

го слоя мелкогабаритных деталей, у которых величина упрочняемого слоя соизмерима с размерами самой детали, определены параметры специального устройства, контактирующего с обрабатываемой деталью, изготовленного из материала, имеющего коэффициент теплопроводности не менее 150 Вт/м К в диапазоне температур 280 - 1150 К, что позволило впервые разработать технологию лазерного упрочнения мелких деталей и предложить новую установку (а.с. N»1553560), позволяющую реализовать данную технологию для осей пильной цепи в промышленных условиях.

2. Разработаны теоретические и технологические основы лазерного термоупрочнения самофлюсующимися твердыми сплавами на железной основе поверхностей трения типа коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и технология получения для таких пар трения нового относительно дешевого самофлюсующегося порошка (а.с. №1600152), с содержанием 2 ...4 % бора, обеспечивающего твердость покрытия 30 ... 60 HRC3.

3. В результате выполнения теоретических, экспериментальных исследований и анализа работы деталей пары трения скольжения коленчатый вал ДВС - вкладыш впервые определены оптимальные диапазоны геометрических (Ra 0,16 ... 0,25) параметров, физико - механических (30 ... 40 НЯСэ) свойств и структура упрочняемого лазерными источниками наплавленного диффузионно-легированным самофлюсующимся твердым сплавом ПР-сталь 45Р4 покрытия. Показано, что финишная лазерная обработка без оплавления поверхности трения коленчатого вала повышает износостойкость как самого вала, так и сопрягаемого с ним вкладыша.

4. В результате осуществления работы установлены предпосылки и условия для лазерной обработки поверхностей трения коленчатого вала, необходимые для получения износостойкого слоя. Впервые установлено, что с целью повышения производительности лазерной обработки обосновано нанесение на поверхность трения лазерных дорожек с расстоянием между ними, равным ширине дорожки, и созданная таким образом макроге-терогенная струюура поверхности обладает высокой износостойкостью, практически такой же, как микрогетерогенная - обработанная с перекрытием лазерных дорожек.

К защите представляются :

1. Научное обоснование эффективности методов лазерного упрочнения поверхностей трения скольжения мелкогабаритных деталей и самофлюсующимися сплавами на железной основе.

2. Научные доказательства влияния температурно-временных параметров предварительной химико-термической обработки наплавочного порошка на износостойкость получаемой при лазерной наплавке поверхности трения.

3. Взаимосвязь между физико-химическими свойствами самофлюсующегося наплавочного порошкового твердого сплава и конечной структурой покрытия на парах трения скольжения, получаемого в результате лазерной обработки.

4. Применение самофлюсующегося наплавочного твердого сплава на железной основе, которое позволяет решить проблему упрочнения и восстановления деталей трения скольжения, а их лазерная обработка повышает механические свойства рабочих поверхностей.

5. Новые практические решения и рекомендации по применению лазерной обработки для повышения износостойкости поверхностей трения скольжения деталей осей пильных цепей и коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Разработанная технология лазерного термоупрочнения самофлюсующимися твердыми сплавами на основе железа коленчатых валов ДВС позволила получить на поверхности трения оптимальную исходную шероховатость и твердость, уменьшить износ при приработке. При этом повышается износостойкость сопрягаемого с валом вкладыша в 1,5-2 раза. Разработанный при этом комплекс оборудования (установка для сфероидизации и укрупнения порошка - а.с. № 1694339 и электромагнитный сепаратор - патент РФ № 2029626) позволяет в условиях небольших предприятий реализовать промышленное производство самофлюсующегося порошкового сплава для упрочнения пар трения скольжения.

На новый самофлюсующийся твердый сплав марки ПР-Х18Н9Р4 на железной основе разработаны ТУ 231-130-012-92, выпущены опытные партии порошков ПР-сталь 45Р4, ПР-Р6М5(В), ПР-Х18Н9Р4 на Витебском мотороремонтном заводе, Молодеченском заводе порошковой металлургии (МолЗПМ), Архангельском целлюлозно-бумажном комбинате (АЦБК). Разработанная технология лазерной обработки осей пильных цепей не только повышает износостойкость пильной цепи при валке и раскряжовке леса, но и обеспечивает технологическую возможность последующей раскатки деталей при сборке. Эта технология рекомендована к внедрению на станкостроительном заводе (г.Бишкек, Республика Кыргызстан). Разработаны технологии упрочнения самофлюсующимися твердыми сплавами и созданы участки по упрочнению и восстановлению быстроизнашиваемых деталей на Брянском заводе по ремонту дизельных машин (БЗРДМ) и Брянском филиале СКВ Тазстроймашина" и др.

Экономический эффект от внедрения этих разработок на АЦБК, БЗРДМ, филиале СКБ "Газстроймашина" составляет более 150 тысяч рублей в год в ценах 1991 года.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались: на республиканской научно-технической конференции (НТК) "Современные материалы, оборудование и технологии упрочнения и восстановления деталей машин" (г.Новополоцк, 1995, 1993, 1991); на республиканской НТК "Проблемы качества и надежности машин" (г. Могилев, 1994); Российской НПК "Состояние и перспективы восстановления и упрочнения деталей машин" (г.Москва, 1994); Международной НТК "Износостойкость машин" (г. Брянск, 1994 ); Международном симпозиуме по трибофатике "Трение, изнашивание, усталость" (г.Гомель, 1993); Национальном конгрессе по металловедению и термической обработке (Варна, Болгария, '1991); межреспубликанской НТК "Применение импульсных методов обработки давлением для производства порошковых материалов" (г. Волгоград, 1991) и ряде других конференций и семинаров.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 35 научных работ, в том числе 8 статей в научно-технических журналах, получены 3 авторских свидетельства на изобретения и 1 патент Российской Федерации.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы, включающего 186 источников, и приложения. Она содержит 99 страниц машинописного текста, 47 рисунков, 3 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, сформулированы ее актуальность, новизна, цель и задачи исследования.

- В первой главе "Анализ литературы" показано, что традиционные способы получения износостойких покрытий сопровождаются значительным разогревом деталей, вызывающим температурные деформации, разупрочнение основы, укрупнение ее структуры и снижение дюрометрических свойств самих покрытий. Поэтому выбор способа с минимально необходимым нагревом может быть осуществлен с применением источников с концентрированными потоками энергии для упрочнения локальных участков поверхностей трения скольжения, особенно для деталей сложной формы. На основании функционально - стоимостного анализа (ФСА) источников, нагрева по литературным данным построена диаграмма: стоимость обработки наиболее распространенными источниками нагрева - физико-механические свойства поверхностей трения скольжения (твердость, износостойкость, ударная вязкость, температурная деформация, технологичность получения).

Из результатов анализа следует, что поверхности трения скольжения, обработанные лазером, обладают более высокими значениями;, механических свойств при довольно высокой стоимости обработку поэтому, исполь-

зование лазерной обработки целесообразно только для тех деталей, где применение других видов нагрева затруднено или технически неосуществимо.

Для получения покрытий наиболее технологичен порошковый присадочный материал с развитой поверхностью нагрева. Особый интерес представляют самофлюсующиеся порошки на железной основе, имеющие относительно невысокую стоимость и способные раскислять окислы имеющимися в их составе бором и кремнием. Все это дает возможность обходиться при нанесении покрытий без дополнительных затрат на флюсы и защитные среды. Известно, что количество бора (В) и кремния (БО, вводимого в расплав при получении порошка, в большинстве случаев не превышает 5 % из-за их значительного выгорания. Подбор оптимального содержания В и для легирования поверхностного слоя пары трения скольжения обычно выполняют только на основании тщательного анализа условий работы трущихся деталей, исходных свойств материалов, а также тех изменений, которые они претерпевают при работе. Поэтому в данной главе были теоретически исследованы основные механизмы изнашивания пар трения скольжения, их влияние на срок службы деталей машин и, в частности, такой дорогостоящей, как коленчатый вал ДВС. Отсутствие в литературе четких полных и обоснованных рекомендаций позволяет заключить, что в целом лазерные технологии повышения износостойкости конкретных пар трения скольжения за счет получения метастабильных структур, а также и самофлюсующимися твердыми сплавами на основе железа не разрабатывались.

Анализ состояния вопроса позволил сформулировать основные задачи исследований.

Во второй главе "Материалы и методика исследований" описаны методики исследования свойств поверхностного слоя пар трения скольжения, а также характеристики исходных материалов, применяемых при лазерной обработке. В качестве источников энергии для термоупрочнения пар трения использовали оптические квантовые генераторы импульсного -"Квант-16" и непрерывного - "Кипр-1" действия. Для обеспечения перемещения обрабатываемых изделий под лучом лазера в двух взаимноперпен-дикулярных направлениях в горизонтальной плоскости и обеспечения вращения деталей с изменяющимися скоростями был сконструирован и изготовлен манипулятор к установке "Кипр-Г. Определение поглощательной способности обрабатываемых поверхностей трения проводили на фотометре ФМШ-56М абсолютным способом по методу Тейлора и относительным способом к эталону с известным коэффициентом отражения. Исследования износостойкости- покрытий пар трения скольжения для уменьшения продолжительности экспериментов проводили экспрессно в условиях сухого трения скольжения на машине трения СМЦ-2 по методу Шкоды-Савина, а

углубленные, в точках оптимума - моделированием на СМЦ-2 работы пары трения скольжения коленчатый вал ДВС - вкладыш в режиме пуска. Путь трения при испытании составлял не менее 18000 м. Измерение микротвердости покрытий проводили на приборе ПМТ-3. Топографию поверхности изучали профилометрированием на приборе ВЕ20А. Испытание на абразивное изнашивание проводили на машине трения типа Х4-Б по ГОСТ 1736771. Диффузионное легирование порошков для лазерного упрочнения проводили в контейнерах из стали 12Х18Н10Т при температуре 800-1100 ОС в течение 1-10 часов в порошковых смесях в соответствии с концепцией профессора Ф.И. Пантелеенко.

В третьей главе "Повышение износостойкости пар трения скольжения лазерной обработкой" приведены результаты исследований по повышению износостойкости поверхностного слоя лазерной обработкой. Известно, что повышение износостойкости происходит за счет формирования структуры с большой неоднородностью, высокой плотностью дефектов, а образующийся при этом мартенсит оказывается более дисперсным, чем при обычной закалке.

Однако при воздействии лазерного излучения на металл интенсивность отражения может достигать очень больших значений, а на долю лучистой энергии, идущей внутрь металла, приходится очень малая величина. Отражательная и поглощательная способности в значительной степени зависят от состояния поверхности металла. Окисная пленка изменяет не только абсолютную величину коэффициентов поглощения и отражения, но и характер зависимости их от температуры и длины волны излучения.

Исследования коэффициентов поглощения и отражения на фотометре ФМШ-56 показали, что поглощательная способность сталей в видимом диапазоне волн (400 - 750 нм) довольно низкая и составляет 9,5 - 13,5 %. В инфракрасной области (830 - 1100 нм) коэффициент поглощения увеличивается до 19 - 29 %. Эти результаты отличаются от табличных значений для металлов со специально подготовленной полированной поверхностью, что объясняется наличием на поверхности сильнопоглощающего слоя оки-. слов. Однако практика работы с лазерным излучением показывает, что лазерный нагрев металла и в этом случае неэффективен без использования специальных технологических покрытий, повышающих коэффициент поглощения лучистого потока. Проведенные исследования позволили определить поглощательную способность наиболее распространенных технологических покрытий (сажа, гуаши, туши, фосфотирование марганцем, цинком и др.) и разработать наилучшие режимы лазерной обработки с учетом этих покрытий.

Для определения режимов лазерной обработки необходимо в каждом конкретном случае проводить расчеты параметров тепловых полей. В свою очередь параметры источника теплоты зависят от поглощательной способ-

ности поверхности обработки, экранирования лазерного излучения газовым облаком и других факторов, поэтому уравнение теплопроводности применительно к лазерной обработке представляет собой систему нелинейных дифференциальных уравнений. Поскольку точные методы решения этих уравнений практически отсутствуют, был выбран классический приближенный способ, основанный на принципе моделирования и вероятностных расчетов.

В диссертации приведены результаты таких расчетов характеристик излучения применительно к лазерным установкам "Квант-16" и "Кипр-1". В удобной для программирования на ЭВМ форме приведены формулы расчетов основных режимов лазерной обработки и параметров лазерного излучения. В качестве модели для разработки технологии лазерного упрочнения пары трения был выбран шарнир пильной цепи и проведено исследование эффективности лазерной обработки осей этого шарнира. Шарниры пильной цепи работают в условиях сухого и полусухого трения и ударных нагрузок. Поэтому они должны обладать высокими физико-механическими свойствами: высокой твердостью сопрягаемых поверхностей, малым коэффициентом трения и большой сопротивляемостью значительным динамическим нагрузкам, которые возникают в высокоскоростных цепных передачах. На основании проведенного анализа условий их работы выявлено, что наиболее слабым звеном в этой паре трения является ось. По существующей технологии соединение оси с пластинами цепи осуществляется раскаткой ее части, выступающей над соединяемыми пластинами. Деформация этой части оси образует плотное неразъемное заклепочное соединение. Средняя часть оси, работающая в условиях сухого трения, должна иметь твердость на поверхности не менее НЙСэ 56-60 на глубине не менее 0,3 мм (с учетом увеличения предельного шага цепи до 4 %) и вязкую сердцевину хорошо противостоящую ударным нагрузкам.

Применяемая в настоящее время в промышленности поверхностная закалка оси токами высокой частоты (ТВЧ) обеспечивает необходимую твердость средней части оси. Однако при этом нагреву и подзакалке подвергаются и сечения оси, работающие на срез, а также ее концы, которые не должны иметь твердости более НВ 180. Более высокая твердость сильно затрудняет последующую раскатку, а в подкаленном слое концов оси возможно-образование микротрещин.

Исследования по лазерному упрочнению осей пильной цепи проводились на стали 65 Г, имеющей значительные резервы по упрочнению лазерной обработкой и в то же время обладающей удовлетворительными пластическими свойствами в отожженном состоянии. Это позволяет изготавливать ось в условиях массового производства в закрытых штампах.

Проведенные исследования показывают, что с целью обеспечения заданного техническими условиями на пильную цепь разрывного усилия не менее 8000 Н целесообразно проведение после штамповки оси предварительной термообработки - объемной закалки в масле и последующего отпуска при 500 °С. В этом случае образуется структура сорбита, обладающая хорошей растворимостью глобулярных цементитных частиц при сверхскоростном лазерном нагреве. Среднее разрывное усилие в этом случае составляло 10100 ± 350 Н, а минимальное - 9830 Н.

Обычная обработка лазерным лучом средней части оси не обеспечивала необходимой твердости из-за ограниченного теплоотвода во внутренние слои металла. Общий нагрев оси достигает 700-800° °С.

Для обеспечения необходимой скорости охлаждения была разработана специальная установка (а. с. N21553560), которая обеспечивает: загрузку осей, подачу их в зону нагрева и вывод из нее, вращение под лучом лазера с заданной скоростью, экранирование концов от воздействия лазерного излучения, отвод излишнего тепла от нагреваемой оси контактирующими с ней деталями установки, выполненными из материала с высоким коэффициентом теплопроводности (согласно проведенным расчетам не ниже 150 Вт/м К в диапазоне температур 280 -1150 К).

При использовании данной установки обеспечивается качественная закалка только средней части оси на глубину 0,3 мм до HRCa 56-60. Остальные части оси обладают необходимой прочностью и удовлетворительной пластичностью - после раскатки микротрещин по сечению среза не наблюдалось.

Исследования микротвердости оси по глубине в зоне лазерной обработки и металлографические исследования показали, что в поверхностном слое происходит закалка с образованием мелкоигольчатого мартенсита микротвердостью Н„ = 8000 - 9000 МПа, что несколько выше, чем у стали 65Г при стандартной закалке. При переходе к незакаленной по глубине зоне микротвердость резко уменьшается до Н„= 3000 - 3200 МПа.

Для исследования износостойкости пильных цепей были проведены промышленные испытания 10 пильных цепей, оси которых были упрочнены по разработанной технологии. Исследованиями установлено, что удлинение цепей, характеризующее их суммарный износ в шарнирах, после 50 часов работы в реальных условиях при валке и раскряжовке леса в 1,5 раза меньше, чем аналогичных цепей, изготовленных по стандартной заводской технологии. При этом отсутствовали случаи разрушения опытных цепей из-за поломок осей от действия ударных нагрузок. Для сравнения: стандартные цепи имели 15 % поломок от испытуемых. Данная технология упрочнения осей пильных цепей рекомендована станкостроительному заводу (г. Бишкек, Республика Кыргызстан) для промышленного внедрения.

Таким образом, на основании анализа условий работы конкретной пары трения скольжения шарниров пильных цепей и сопоставительной оценки вероятностных способов упрочнения разработана эффективная технология лазерной обработки мелких стальных деталей. Предложена новая установка (а.с. № 1553560), позволяющая реализовать эту технологию для упрочнения осей пильных цепей в промышленных условиях. 8 результате достигнуто повышение в 1,5 раза износостойкости цепи по сравнению со стандартной и снижение на 15 % потребного количества запасных частей к цепям.

В четвертой главе "Повышение износостойкости пар трения скольжения самофлюсующимися твердыми сплавами на железной основе для лазерной обработки" установлено, что существующие самофлюсующиеся твердые сплавы на никелевой основе имеют: неоднородность и многообразие эвтектических структур для частиц различных размеров; значительный угар бора, который вводят в расплав при их производстве в виде карбида бора или ферробора; высокие цены на никель - основной компонент этих сплавов, который определяет и высокую их стоимость, а также высокий коэффициент трения скольжения, чувствительны к ударным нагрузкам и вибрациям, труднообрабатываемы при механической обработке.

Поэтому для пар трения, работающих в условиях только трения скольжения и в обычной среде, целесообразно применение обычных порошков на железной основе. Особый интерес представляют эвтектические сплавы, так как в них имеют место устойчивое термодинамическое равновесие и тонкодифференцированная структура, что обеспечивает хорошее сочетание мягкой матрицы и кристаллов высокопрочных фаз, а за счет термодинамической стабильности сохраняется эффект композиционного упрочнения до высоких (0,9 Тпл) температур.

Для получения самофлюсующегося твердого сплава на железной основе был выбран метод диффузионного легирования порошков и получения из них необходимых композиционных материалов с заданными составом, структурой и свойствами, так как у полученных распылением самофлюсующихся твердых порошковых сплавов имеется существенный недостаток -невозможность четко регулировать тип структуры (до-, эвтектическая и за-эвтектическая) в зависимости от условий работы покрытия в паре трения.

При диффузионном легировании порошковых материалов наиболее предпочтительна их обработка в порошковых составах, дающая ряд таких преимуществ, как простота, надежность, стабильность результатов, доступность внедрения.

Результаты проведенных исследований позволили разработать способ получения самофлюсующихся порошков (а.с. №1600152) для износостойких покрытий. Технологический процесс получения самофлюсующихся порош-

ков включает следующие операции: 1) диспергирование стружечных отходов; 2) отсеивание фракции порошка размером 40-140 мкм; 3) сфероиди-зацию порошка; 4) сушку порошка; 5) смешивание порошка с насыщающей смесью и активатором; 6) закладку и герметизацию контейнера; 7) химико -■ термическую обработку в печи; 8) выделение из насыщающей среды готового продукта; 9) контроль качества.

По технологическим параметрам оптимальный размер порошка находится в пределах 40-160 мкм, а стружечные отходы обычно имеют частицы неправильной формы с практически нулевой текучестью. Для повышения текучести и укрупнения порошка было разработано специальное устройство (а.с.№1694339), которое позволило получить сферический порошок из стружечных отходов размером 40-80 мкм. При проведении процесса диффузионного легирования железного порошка для пар трения скольжения установлено наилучшее соотношение в порошковой смеси насыщаемой и насыщающих сред, а также исследовано влияние соотношения размеров частиц порошковых сред на результаты КТО.

Установлена возможность многократного использования насыщающей среды не менее 6-7 раз, что позволяет уменьшить затраты на производство. После этого необходим отсев мелких частиц, которые ведут к уменьшению текучести получаемого порошка из-за их припекания.

Исследованиями установлено, что применение в качестве активатора диффузионного легирования фтористого натрия в количестве 1-1,5 % дает наилучшие результаты по экономичности ХТО.

Определены с применением метода математического планирования эксперимента режимы ХТО порошков. Полученная регрессивная модель режимов диффузионного насыщения адекватно связывает температурно-временные параметры режимов насыщения, исходные материалы и функцию отклика - относительную износостойкость покрытия из полученного порошка в условиях трения скольжения.

Для порошка ПР-Х18Н9Р4, наплавленного газопорошковой наплавкой, относительная износостойкость в условиях трения скольжения составила: е = 3.68х10-5 х ехр 0 012 тх ехр ««зд + 21.5) ^ ( ! )

где Т - температура диффузионного насыщения °С в диапазоне (820 -1000 °С);

т - время диффузионного насыщения, ч (в диапазоне 0,5 - 8 ч);

е - относительная износостойкость в условиях трения скольжения к стали Х18Н9Т в состоянии поставки.

Для порошка ПР-Х18Н9Р4, наплавленного лазерной наплавкой, относительная износостойкость в условиях трения скольжения составила:

£ = 4x10-2 х ехр 446 тх ехр« -5xT2-o.il «т-5в.З)Г1 (2)

На основании анализа полученных уравнений установлено, что проведение диффузионного насыщения порошка при температуре свыше 920°С нецелесообразно, так как в этом случае в поверхностном слое порошка быстро увеличивается количество хрупкой фазы ЯеВ по отношению к РегВ. Е поверхностном слое образуется большое количество микротрещин, снижающих усталостную прочность. В то же время при температуре диффузионного насыщения меньше 920°С значительно увеличивается время обработки, что ведет за собой снижение производительности. Поэтому установлено, что для температуры диффузионного насыщения 920°С относительная износостойкость покрытия из ПР-Х18Н9Р4, наплавленного лазером, описывается эмпирическим уравнением регрессии

е = 2.547 ехр <о.414вп > (3)

при наплавке этого сплава газопорошковой наплавкой

е=2.6414ехрЮ-39153<) (4)

Относительная износостойкость порошкового сплава ПР-сталь 45Р4 при температуре диффузионного насыщения 920 "С в условиях трения скольжения описывается эмпирическим уравнением регрессии: при лазерной наплавке

е= 1.33хехр<"-2*> (5)

при газопорошковой наплавке

е = 2.45 х ехр <0.0524. (6)

Исследованы режимы диффузионного насыщения сплавов ПР-Р6М5(В), ПЖВ(В), ПГ-СЗ{В) при температуре 920 "С и получены модели относительной износостойкости этих материалов, наплавленных как лазерной, так и газопорошковой наплавкой.

Сравнительным анализом установлено, что в условиях трения скольжения наиболее высокую износостойкость имеет диффузионно-легированный в течение 2....4 часов сплав ПР-сталь 45Р4 как в условиях лазерной, так и в условиях газопламенной наплавок, что и определило его дальнейшее исследование для пар трения скольжения, как наиболее дешевого и технологичного.

Исследованы фазовый состав, структура, микротвердость, текучесть, самофлюсуемость полученного в результате диффузионного насыщения порошка ПР-сталь 45.

Для разработки технологии нанесения покрытия из самофлюсующихся порошков исследовано воздействие лазерного излучения на порошковые материалы. Установлено, что лазерное излучение плотностью 0,2 кВт/мм2 практически не оказывало воздействия на структуру порошка. При плотностях излучения 0,5 - 1,5 кВт/мм2 происходит оплавление порошка и относительная масса выброса не превышает 2 %. При увеличении плотности излу-

чения свыше 1,6 кВт/мм2 относительная масса выброса порошкового материала резко увеличивается.

Установлено, что при плотности потока лазерного излучения в. пределах 1,0-2,0 кВт/мм2 получается покрытие с высокой плотностью при сохранении исходной структуры самофлюсующихся сплавов.

Установлено, что лазерная наплавка покрытий из диффузионно-легированного порошка ПР-сталь 45Р4 обладает наиболее высоким комплексом свойств, так как получаемая при этом структура более дисперсная, а твердый раствор более перенасыщен. Покрытие содержит фазы Гез(В.С), РегВ и РеВ. Это покрытие имеет более высокую твердость и абразивную износостойкость.

Установлено, что покрытия из диффузионно-легированного порошка ПР-сталь 45Р4 по прочности сцепления с подложкой в 1,15 раза прочнее, чем широко распространенный ПГ-10Н-01. При этом наибольшую прочность сцепления с подложкой имеет сплав ПР-сталь 45Р4 с содержанием бора в диапазоне 2-4 % и составляет более 600 МПа для условий лазерной наплавки.

В пятой главе "Исследование износостойкости упрочненных пар трения скольжения высококонцентрированными источниками энергии и самофлюсующимися твердыми сплавами на основе железа и опытно - промышленное освоение разработанных технологий" исследована износостойкость пар трения скольжения, упрочненных лазерной обработкой при моделировании работы пары трения коленчатый вал ДВС -вкладыш в режиме наиболее интенсивного износа: период приработки, пуска и остановки, когда имеет место режим трения без смазки или ее недостаточности. Проведенные исследования позволили установить, что на величину износа большое влияние оказывает исходная шероховатость поверхностей трения. Нанесение на поверхность коленчатого вала с- помощью ультразвуковой обработки маслоудерживающего рельефа с шероховатостью Яа 0,16-0,25 мкм уменьшает интенсивность износа как самого вала, так и сопрягаемого с ним вкладыша. Как большая, так и меньшая шероховатость маслоудерживающего рельефа увеличивает величину износа покрытия и вкладыша. Проведенные исследования показали, что наибольшей износостойкостью обладают покрытия ПР-сталь 45Р4, наплавленные высококонцентрированными источниками нагрева и имеющие твердость поверхности НЙСЭ 30-40, при этом такие покрытия и менее интенсивно изнашивают сопрягаемый с ними вкладыш. При твердости поверхности менее НЯСЭ 25 из-за небольшого количества твердой фазы в покрытии в процессе испытаний наблюдается шаржирование верхнего слоя абразивными частицами, продуктами износа и увеличение интенсивности изнашивания как самого вала, так и вкладыша. При твердости поверхности трения выше НРСЭ 45

из-за перенасыщенности твердого раствора в наплавленном слое увеличивается количество микротрещин и при схлопывзнии попавшей в них смазки наблюдается кумулятивно-кавитационное разрушение верхнего слоя на-плавленого покрытия и накапливание в трещинах абразивных частиц, что также резко увеличивает интенсивность износа сопрягаемого с валом вкладыша.

Испытания износостойкости наплавленных покрытий из самофлюсующихся твердых сплавов на основе железа с последующей лазерной термообработкой без оплавления поверхности показали увеличение их износостойкости в 5,4 раза по сравнению с необработанными. При такой обработке увеличивается в 2 раза износостойкость сопрягаемого с валом вкладыша.

Установлено также, что при лазерной обработке покрытий увеличение расстояния между дорожками до величины отношения расстояния между дорожками I к ширине дорожки й, равном единице (1/с1 =1), практически не оказывает влияния на увеличение интенсивности изнашивания. Это позволяет рекомендовать с целью увеличения производительности проводить лазерную обработку покрытий из самофлюсующихся твердых сплавов на железной основе без перекрытия с расстоянием между ними, равным ширине.

Проведенный комплекс испытаний на износостойкость позволил предложить для промышленной реализации технологию лазерного упрочнения и восстановления коленчатых валов ДВС, из которой можно отметить:

-покрытие из самофлюсующихся твердых сплавов на железной основе, наплавленное высококонцентрированными источниками нагрева, должно иметь твердость НВСэ 30-40 с маслоудерживающим рельефом, нанесенным ультразвуковой обработкой шероховатостью Ра 0,16-0,25 мкм;

-лазерная обработка наплавленных покрытий без оплавления и перекрытия дорожек до величины отношения расстояния между лазерными дорожками к ширине дорожки, равного единице, повышает износостойкость коленчатых валов в 5,4 раза, а сопрягаемых с ними вкладышей - в 2 раза по отношению к необработанным.

выводы ПО РАБОТЕ:

1. Изучен механизм формирования износостойкого слоя при лазерной обработке мелкогабаритных деталей с ограниченными размерами внутренних слоев, установлено, что для получения износостойкого слоя глубиной до 0,3 мм необходим дополнительный теплоотвод через специальные устройства ( а. с. № 1553560), обеспечивающие теплопроводность с коэффициентом не менее 150 Вт/м К,

2. Выявлены особенности формирования износостойких покрытий из порошкового сплава ПР-стапь 45, при этом показана эффективность его диффузионного легирования для обеспечения самофлюсуемости при на-

плавке и повышения триботехнических свойств. Установлено, что для легирования частиц порошка фракции 63...160 мкм в смеси ВС и SiC при соотношении насыщающей и насыщаемой сред не менее 2/1 и содержании активатора 1...3 % оптимальными режимами процесса являются выдержка в течение 4 часов при температуре 920 "С (а.с. № 16943399).

3. Определены строение и технологические свойства диффузионно-легированных порошков и покрытий из них, при этом установлено: наилучшей относительной износостойкостью (повышение более чем в 15 раз), са-мофлюсуюмостью при наплавке и текучестью ( коэффициент текучести Кт = 1.2...1.5 ) обладают порошки с оболочкой из фазы Fe2B.

4. Установлено, что при наплавке самофлюсующихся порошков в диапазоне плотности лазерного излучения 0.2 ...1,6 кВт/мм2 относительная масса выброса обрабатываемого порошка не превышала 2 %. Дальнейшее увеличение плотности вызывает резкое увеличение массы выброса обрабатываемого порошка, что вызвано высокой скоростью нагрева и резким испарением летучих элементов в зоне наплавки.

5. Установлено, что лазерные покрытия из самофлюсующихся порошков ПР-стапь 45Р4 при содержании бора более 2 % имеют более высокую износостойкость { не более 0,5 мГ/м ) и большую прочность сцепления с подложкой (550 ...600 МПа ), что обусловлено ярко выраженной ориентацией избыточных боридных фаз , чего не наблюдается у газопламенных покрытий.

6. Разработанный технологический процесс восстановления коленчатых валов ДВС порошковым самофлюсующимся твердым сплавом ПР-сталь 45Р4, включающий плазменную наплавку, лезвийную обработку, нанесение маслоудерживающего рельефа ультразвуковой обработкой с последующей финишной лазерной обработкой, обеспечивает высокую обрабатываемость покрытий (твердость НЯСэ 30 ...40 ) и оптимальную для пары трения вал -вкладыш шероховатость { Ra 0.16 ... 0.25 мкм.)

7. Показано, что финишная лазерная обработка покрытий из сплава ПР-сталь 45Р4 при отношении расстояния между лазерными дорожками к ширине дорожки не более 1,0 обеспечивает повышение относительной износостойкости лары трения скольжения коленчатый вал ДВС - вкладыш (для вала - в 5.4 раза, для вкладыша - в 2 раза) по сравнению с необработанными. При дальнейшим увеличении расстояния между лазерными дорожками интенсивность износа резко возрастает.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1 Никольский H.H., Гилуть В.Г., Лисовский А.Л. О технологических особенностях светолучевой наплавки //Тез.докл.НТК "Твердосплавные износостойкие покрытия деталей машин". - Новополоцк, 29-30 мая 1979. С. 28.

2. Ощепков Ю.П., Ощепкова Н.В., Лисовский А.Л. О воздействии импульсного лазерного излучения на порошки из самофлюсующихся сплавов.-Электронная обработка материалов, № 6, 1983. - С. 30-34.

3. Ощепков Ю.П., Ощепкова Н.В., Лисовский А.Л. Влияние лазерной обработки на структуру и свойства быстроохлажденных порошковых материалов /Дез. докл. НТК. - Запорожье, 7-9 сентября 1983 .

4. Ощепков Ю.П., Ощепкова Н.В., Лисовский А.Л. Формирование покрытий из распыленных порошков при лазерном нагреве. - В кн.: Порошковая металлургия и новые композиционные материалы. - Саратов: Изд-во Саратовского ун-та, 1985. - С. 3.

5. Пантелеенко Ф.И., Любецкий С.Н., Башлак С.Д., Акутенок А.Л,, Лисовский А.Л. Новые самофлюсующиеся порошки на железной основе для защитных покрытий // Передвижная коммерческая выставка - ярмарка "Научные разработки студентов и ученых высшей школы" в ГДР, ЧССР, ВНР, сентябрь- октябрь 1989.

6. Ощепков Ю.П., Пестряков В.Е., Лисовский А.Л., Ощепкова Н.В. Лазерная закалка осей пильных цепей. - Инф. листок о НТД № 131, Витебский ЦНТИ, 1989. - С. 1-4 (пристендовая литература к выставке "Лазеры и жизнь" на ВДНХ).

7. Лисовский А.Л., Ощепков Ю.П., Пестряков В.Е., Делидович A.A. Ус. тановка для термообработки осей пильных цепей. A.c. СССР № 1553560

МКИ С21/1/09 БИ № 12 от 30.03.90.

8. Константинов В.М., Лисовский А.П., Косяк Л.Н. Исследование свойств новых самофлюсующихся наплавочных порошков на железной основе /Дез. докл. НТК "Современные технологические процессы упрочнения и восстановления деталей" 17-19 апреля 1991.- Новополоцк. - С. 5-7.

9. Пантелеенко Ф.И., Любецкий С.Н., Константинов В.М., Лисовский А.Л. Химико-термическая обработка порошков и. защитные покрытия, на их основе. - Сб. научн. докладов национального конгресса по металловедению и термической обработке. -Варна, Болгария, 3-5 октября 1991. - С. 353-357.

10. Пантелеенко Ф.И., Любецкий С.НМ Константинов В.М., Лисовский А.Л., Снарсхий A.C. Новые ДПС-материалы для восстановительно - упрочняющих технологий. Материалы Российской НПК "Состояние и перспективы восстановления и упрочнения деталей машин". - М.: 1994. С. 105 - 107.

11. Пантелеенко Ф.И., Лисовский А.Л. Исследование упрочнения пар трения скольжения высококонцентрированными источниками нагрева с применением самофлюсующихся твердых сплавов на железной основе. Темат. сб. докл. II республиканской НТК "Современные материалы и технологии упрочнения и восстановления деталей машин" 27-28 апреля 1995. -Новополоцк. - С. 71-72.

12. Булавин В.А., Клубович В.В., Пантелеенко Ф.И., Лисовский А.Л. и др. Оптимизация процесса повышения износостойкости деталей машин.-Вести АН Беларуси. Серия физико-технических наук, N2 3,- Минск, 1994. -С. 70 - 73.

13. Лисовский А.Л., Пантелеенко Ф.И., Акутенок А.Л. Устройство для сфероидизации и укрупнения порошка. A.c. № 1694339 МКИ В22 F1/00 БИ №44 от 30.11.91.

14. Лиманский В.И., Лисовский А.Л., Пантелеенко Ф.И. Электромагнитный сепаратор /Патент Российской федерации № 2029626 МКИ В 03 С1/08 БИ № 6 от 27.02.95.

15. Пантелеенко Ф.И., Константинов В.М., Лисовский А.Л. Износостойкие борсодержащие покрытия, полученные электроконтактной приваркой. - Трение и износ. Т 16. № 3. 1995.- С 563 - 567.

Автор выражает благодарность к.т.н. Ю.П. Ощвпкову, к.т.н. Н.В. Ощепковой за научные консультации в период работы над диссертацией.

РЭЗ ю м э

Люоуси Аляксандр Леанщав'н

"Павышэнне зносастойкасщ пар трэння ожзгання лазернай апрацоукай"

Пары трэння слюгання, лазер, п1пьныя ланцуп, капенчаты вал, самаф-люсаеальныя парашковыя сплавы на жалезнай аснове, наплаука, шурпа-тасць, зносастойкасць.

У працы прадстаулена комплекснае даследванне працэсау лазернай апрацоую пар трэння слюгання з мэтай павышэння зносастойкасщ канкрэт-ных дэтапяу тыпу восей п'тьных ланцугоу | каленчатых вала!? рухаекоу унут-ранага згарання. Эксперименты праводзшюя з выкарыстаннем лазерных крыжц ¡мпульснага I бесперапыннага дзеяння. Распрацаваны самафлюса-вапьны парашковы цвёрды сплау на жалезнай аснове, як'| пасля нанясення на рабочыя лаверхн! пар трэння слюгання лазерным! крынщам1 нагрэву у

адр-азненне ад традыцыйных крынщ забяспечвае больш высокую зносастой касць. Паказана, што найлепшая зносастойкасць рабочых паверхняу кален чгггых валау, наплауленых прапаноуваемыыи сплавам*, знаходзщца прк цвердасц! у межах 30-40 НЙСэ, шурпатасц! - йа 0,16-0,25 мкм з нанесен нь^м1 на ¡х лазерным! дарожкам) без перакрыцця, пры вел1чын1 суадносш ад догласц! паммс дарожкам! да шырыж дарожю не болей адной адзшю. П< вышках працы здзейснена вытворчае апраб1раванне ] укараненне дадзоны: тзхналапй у вытворчасць.

РЕЗЮМЕ

Лисовский Александр Леонидович

"Повышение износостойкости пар трения скольжения лазерной обработкой"

Пары трения скольжения, лазер, пильные цепи, коленчатые валы самофлюсующиеся порошковые сплавы на железной основе, наплавка, шероховатость, износостойкость.

В работе представлено комплексное исследование процессов лазерной обработки пар трения скольжения с целью повышения износостойкости конкретных деталей типа осей пильных цепей и коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания. Эксперименты проводились с использованием лазерных источников импульсного и непрерывного действия. Разработан самофлюсующийся порошковый твердый сплав на железной основе, который после нанесения на рабочие поверхности пар трения скольжения лазерными источниками нагрева обеспечивает более высокую, в отличие от традиционных источников, износостойкость. Показано, что наилучшая износостойкость рабочих поверхностей коленчатых валов, наплавленных предлагаемым сплавом, находится в пределах 30...40 НЯСэ, шероховатость поверхностей - Яа 0,16.,.0,25 мкм с нанесенными на них лазерными дорожками без оплавления и перекрытия при величине отношения расстояния между дорожками к ширине дорожки не более единицы. По результатам работы осуществлено промышленное апробирование и внедрение данных технологий е производство.

SUMMARY

Lisovsky Alexandr Leonidovich

"The wear resistance increase of Sliding friction pairs by Laser treatment"

Sliding friction pairs, laser, sawing chains, crankshafts, self-fluxing powder alloys on iron base, surfacing, roughness, wear resistance.

The thesis deals with the complex investigation of laser treatment processes of sliding friction pairs aiming at wear resistance increasing of specific parts like sawing chains axes and crankshafts of internal combustion engines. The experiments were carried on with the use of laser sources of pulsed and continuousaction. The self-fluxing hard powder alloy on iron base was worked out. After being applied on the working surfaces of sliding friction pairs with laser heating sources unlike traditional ones, it provides higher wear resistance. It was proved that the wear resistance of the crankshaft working surfaces applied by the alloy suggested is within the limits 30...40 HRC, the surface roughness being - RA 0,16...0,25 mom with laser tracks without flashing and flash-over by the value of distance ratio between tracks to track's width being no more than 1. An industrial approval was made and the techniques mentioned above were introduced into production as a result of the research.

Александр Леонидович Лисовский

ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ПАР ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКОЙ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата наук

Подписано в печать 14.04.96 Формат 60x84/16 Печать ксероксная Усл.-печ.л. 1,16 Уч.-изд.л. 1,05 Тираж 100 Заказу-/ Бесплатно

Отпечатано на ротапринте ЛГУ 211440, г.Новополоцк, ул.Блохина,29