автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Разработка методов получения высококачественных слоев стальных деталей лазерной обработкой

ВВЕДЕНИЕ.1-

ГЛАВА 1. ПОВЕРХНОСТНЫЙ СЛОЙ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ

СВОЙСТВА ДЕТАЛЕЙ МАШИН И МЕХАНИЗМОВ.7

1.1. Влияние качества, физико-химического состояния и свойств поверхностного слоя на его несущую способность и сопротивляемость изнашиванию.7

1.2. Кинетика и механизм разрушения поверхностных слоев деталей при эксплуатации.11

1.3. Современные методы поверхностных упрочняющих обработок высоконагру женных деталей.21

1.4. Применение технологических лазеров и лазерной обработки для повышения эксплуатационных свойств поверхностных слоев деталей.30

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ПРИ ЛАЗЕРНОМ НАГРЕВЕ И УСЛОВИЙ ФОРМИРОВАНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ. 35

2.1. Анализ тепловых процессов при лазерном воздействии на конструкционные стали 35

2.2. Исследование условий формирования структуры и геометрических характеристик зоны лазерного воздействия при обработке конструкционных сталей.52

2.3. Влияние режимов обработки на закономерности изменения твердости в зоне лазерного воздействия 60

2.4. Влияние предварительной термической обработки на характер изменения микротвердости по глубине зоны лазерного воздействия 64

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 3. МЕТОДЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ.68

3.1. Технологический комплекс для лазерной обработки

3.2. Современные методы оценки структурного состояния и физико-механических свойств деталей с упрочненным поверхностным слоем.

3.3. Стандартные методы исследований.

3.4. Методы исследования износостойкости по глубине поверхностного слоя.

3.5. Неразрушающий метод контроля качества лазерной обработки готовых изделий.

3.6. Методика определения геометрических характеристик зоны лазерного воздействия

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ ЛАЗЕРНОЙ МОДИФИКАЦИИ НА СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ДЕТАЛЕЙ ИЗ СРЕДНЕУГЛЕРОДИСТЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ. 90

4.1. Исследование закономерностей изменения микротвердости в поверхностном слое нормализованной и закаленной лазером стали.

4.2. Влияние лазерной обработки на износостойкость поверхностного слоя.

4.2.1. Износостойкость нормализованной стали после лазерной обработки.

4.2.2. Износостойкость улучшенной стали после лазерной обработки.

4.3. Влияние расположения лазерных треков (дорожек) на микротвердость и износостойкость поверхностного слоя.110

4.4. Влияние лазерной обработки на шероховатость и геометрические характеристики поверхностного слоя.123

4.5. Влияние лазерной обработки на сопротивляемость упрочненного слоя ударным нагрузкам.

4.5.1. Исследование свойств упрочненного лазером слоя нормализованной стали при ударном нагружении.127

4.5.2. Исследование свойств упрочненного лазером слоя улучшенной стали при ударном нагружении.134

ВЫВОДЫ.141

Ключевой задачей современного машиностроения является создание конкурентоспособной продукции, постановка на производство новых поколений высокопроизводительной техники с широким использованием новых материалов и технологий, обеспечивающих заданные свойства.

Эти свойства могут формироваться даже на обычных конструкционных углеродистых или низколегированных сталях при использовании различных прогрессивных методов упрочняющих обработок.

Поэтому увеличение энергонасыщенности машин, снижение их энергоемкости при одновременном увеличении надежности и долговечности неразрывно связаны с расширением использования ресурса сберегающих упрочняющих технологий, в особенности для деталей, узлов и агрегатов, ресурс которых лимитируется износостойкостью и контактной прочностью.

Анализ проблемы повышения несущей способности деталей показывает, что в настоящее время не представляется возможным решить вопрос увеличения их срока службы только путем применения для их изготовления дорогостоящих высоколегированных сталей (в большинстве случаев это экономически не оправдывается) или при использовании традиционных методов упрочняющих обработок.

В связи с этим чрезвычайно актуальным и важным является поиск путей повышения эксплуатационных характеристик деталей за счет разработки и оптимизации новых процессов термоупрочнения и модификации рабочих поверхностей.

Решение этой задачи позволяет не только снизить расход дефицитных и дорогих сталей, но и значительно повысить конкурентоспособность машин и оборудования.

Наряду с широко применяемыми способами поверхностного упрочнения (наплавка, напыление, различные виды химико-термической обработки, закалка токами высокой частоты и т.п.) весьма перспективным процессом физико-технической упрочняющей обработкой является лазерная обработка (ЛО).

Во-первых, лазерный способ упрочнения является локальным, что дает возможность обрабатывать только те участки рабочих поверхностей, которые в первую очередь повреждаются в условиях эксплуатации. При этом практически отсутствуют коробление и деформация обрабатываемых поверхностей, значительно экономится электроэнергия по сравнению с часто используемыми процессами обработки токами высокой частоты, азотированием, цементацией и нитроцемента-цией.

Во-вторых, в отличие от известных альтернативных видов поверхностного упрочнения с использованием высококонцентрированных потоков энергии лазерная обработка менее трудоемка, более эффективна, легко поддается регулированию и автоматизации. Имеются и многие другие преимущества лазерной технологии.

Особый интерес представляет использование лазерной обработки рабочих поверхностей в условиях ремонтного производства, т.к. ресурс отремонтированной техники, чаще всего, значительно ниже, чем у новых машин при значительных затратах на ремонт.

Из анализа известных исследований, связанных с методами формирования поверхностных слоев деталей и их эксплуатационными свойствами, можно сделать следующие выводы.

1. Работоспособность высоконагруженных деталей различных типов машин и оборудования определяется свойствами поверхностного слоя.

2. Основной характеристикой сопротивляемости изнашиванию поверхностных слоев является микротвердость локальных объемов материала.

3. Несмотря на большое количество исследований, относящихся к разработке методов формирования поверхностных слоев с помощью различных упрочняющих обработок, их применение не позволяет обеспечить заданные эксплуатационные свойства высоконагруженных деталей.

4. Наиболее прогрессивные методы модификации рабочих поверхностей деталей реализуются с помощью высококонцентрированных потоков энергии.

5. В настоящее время практически отсутствуют комплексные теоретические и экспериментальные исследования факторов, влияющих на характеристики и свойства поверхностных слоев после лазерной обработки.

Недостаточно изучены процессы, протекающие в зоне лазерного воздействия, особенности формирования структуры и свойств конструкционной стали при лазерной обработке.

В технической литературе практически отсутствуют научно-обоснованные рекомендации по выбору параметров лазерной обработки для целенаправленного получения заданных свойств поверхностных слоев деталей, работающих в условиях многофакторного воздействия.

Не изучены закономерности изнашивания поверхностных слоев, имеющие чередующиеся структурно-неоднородные участки, образование которых связано с наложением лазерных треков.

Таким образом, несмотря на имеющийся научный задел и опыт применения прогрессивных ресурсосберегающих лазерных технологий, для повышения эффективности их использования и решения многих научных и практических задач требуется выполнить вполне определенный комплекс теоретических и экспериментальных исследований процессов, происходящих в зонах лазерного воздействия, и факторов, влияющих на условия целенаправленного формирования заданных свойств при ЛО деталей из среднеуглеродистых и низколегированных сталей.

В связи с этим целью работы является комплексное исследование условий и закономерностей формирования поверхностных слоев при лазерной обработке среднеуглеродистых сталей непрерывным С02 - лазером, изучение их основных свойств и разработка на этой базе научно-обоснованных рекомендаций, обеспечивающих получение высококачественных поверхностных слоев и управление процессом лазерной обработки, разработка новых технологических процессов лазерного упрочнения высоконагруженных деталей нефтеперерабатывающего оборудования.

Для достижения указанных целей предполагается решить следующие задачи: выполнить комплексные теоретические и экспериментальные исследования особенностей лазерного воздействия и процессов формирования высококачественных поверхностных слоев конструкционных сталей с использованием лазерного излучения; изучить закономерности изменения свойств поверхностных слоев после ЛО, а также влияние различных факторов на структурное состояние, физико-механические, триботехнические свойства и геометрические характеристики деталей, упрочненных ЛО; разработать научно-обоснованные рекомендации по выбору оптимальных режимов лазерной обработки, обеспечивающих целенаправленное формирование заданных свойств поверхностных слоев высоконагруженных деталей с учетом конкретных условий эксплуатации; разработать оригинальные методы испытаний и оценки качества упрочненных лазером деталей; разработать лазерные технологии обработки высоконагруженных деталей нефтеперерабатывающего оборудования.

Практическая ценность и реализация работы в промышленности.

В диссертации представлены научно-обоснованные разработки и технологические рекомендации, использование которых позволяет целенаправленно формировать высококачественные поверхностные слои различных типов деталей машин и оборудования, реализовать широкие возможности ресурсосберегающих лазерных технологий, внедрение которых позволяет значительно повысить конкурентоспособность изделий, повысить их надежность и долговечность.

Выявленные в диссертации закономерности формирования комплекса свойств и характеристик качества поверхностных слоев в зоне лазерного воздействия и разработанные на этой базе технологические решения позволяют повысить эффективность и расширить область применения процессов лазерной обработки конструкционных материалов.

Использование результатов исследований позволяет целенаправленно воздействовать лазерным излучением на обрабатываемую поверхность и получать заданные свойства, установленные на основе анализа условий эксплуатации деталей.

Прикладное значение имеют также полученные в диссертации данные о влиянии лазерной обработки на сопротивляемость разрушению и изнашиванию деталей типа опоры качения и скольжения. При этом раскрыта физическая сущность механизмов, обуславливающих процессы разрушения. Установлены факторы, обуславливающие эффект самоорганизации поверхностей трения, что дополнительно способствует повышению износостойкости деталей после лазерной обработки. Полученные при этом новые сведения должны учитываться при разработке технологических процессов лазерной обработки.

Разработанные в диссертации новые технологические процессы и рекомендации позволяют повысить износостойкость валов из среднеуглеродистых сталей в 3-5 раз.

Новая технология, технологическая оснастка и оригинальные методы контроля качества используются для лазерной обработки деталей нефтеперерабатывающего оборудования в ремонтном производстве на ООО «Лукойл-Волгоград-нефтепереработка».

Методы исследований и технологические решения, представленные в диссертации, используются при выполнении научно-исследовательских и хоздоговорных работ во Всероссийском научно-исследовательском и конструкторско-технологическом институте оборудования нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности научно- производственном предприятии «Агромаш», г.Волгоград, научно-производственном центре «Динамика» г.Омск.

Суммарный экономический эффект от внедрения разработок, при реализации которых были использованы теоретические, экспериментальные данные и рекомендации настоящей диссертации, составил 282000 рублей в ценах 1998 года.

Работа выполнена в ООО «Лукойл-Волгограднефтепереработка» и Волгоградском государственном техническом университете.

Основные результаты работы доложены и обсуждены на 10 научно-технических международных конференциях и симпозиумах, в том числе: на Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии НМТ-98 (г.Москва, 1998 г.), Международной конференции «Теория и практика зубчатых передач» (г.Ижевск, 1998 г.), Международной конференции МО-ТОАУТО-98 (София, Болгария), Международной конференции «Лазеры-99» (Сан-Хосе, США), Международной конференции «Динамика машинных агрегатов» (Габчиково, Словакия).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ:

1. Создана необходимая база для разработки эффективных методов лазерной обработки и модификации, обеспечивающих формирование высококачественных поверхностных слоев при изготовлении ответственных деталей, узлов и агрегатов нефтеперерабатывающего оборудования, работающих в условиях многофакторного воздействия.

2. Разработан и внедрен в производство новый технологический процесс изготовления деталей с лазерным упрочнением. При этом выбор режимов обработки осуществлен, исходя из условий получения упрочненных слоев требуемого качества, необходимой толщины, высокой износостойкости и прочности при возможно меньшем нарушении микрогеометрии. Выполнен комплекс исследований процессов лазерного взаимодействия с поверхностью среднеуглеродистой стали. При этом было установлено, что: характеристики лазерной обработки, влияющие на процессы формирования свойств поверхностных слоев, могут быть установлены из анализа основных положений теплофизической модели, которая учитывает особенности распространения тепла в металле от движущегося источника, генерирующего высококонцентрированные потоки энергии. Получаемые при этом изотермы, описывающие распределение температур в ЗЛВ, являются основой инженерных расчетов режимов лазерной обработки, обеспечивающих целенаправленное формирование упрочненного слоя; поверхностный слой стали после ЛО характеризуется структурно-механической и химической (по содержанию углерода в мартенсите) неоднородностью, которая зависит от режимов лазерной обработки и исходного состояния металла (предварительной термической обработки); важнейшие характеристики поверхностного слоя (содержание углерода в мартенсите, плотность дислокаций и микротвердость) взаимосвязаны, а их значения определяются технологическими характеристиками процесса ЛО и исходной структурой металла; наибольший вклад в повышение эксплуатационных свойств упрочненных слоев вносит измельчение структуры и повышенная дефектность тонкого кристаллического строения; геометрические размеры ЗЛВ, а также характеристики микрогеометрии поверхностного слоя зависят от параметров процесса лазерной обработки. В зависимости от плотности мощности и скорости перемещения лазерного луча можно получать поверхностные слои, требуемые свойства которых обеспечиваются без применения финишных операций механической обработки, что очень важно не только для рационального построения технологического процесса, но и для сохранения высоких свойств тонких поверхностных слоев, полученных ЛО; микроструктура и физико-механические свойства поверхностных слоев в зоне перекрытия и в средней части лазерных треков имеют принципиальные отличия, которые обусловлены изменениями условий лазерного нагрева и охлаждения при повторном проходе лазерного луча. Введением дополнительного охлаждения удается обеспечить выравнивание значений твердости, получить более однородный поверхностный слой с высокой сопротивляемостью изнашиванию.

3. Установлены оптимальные значения скорости перемещения лазерного луча, при которых достигается такое распределение микротвердости вдоль образующей цилиндрической поверхности, при котором реализуется эффект самоорганизации поверхностей трения. Сущность этого эффекта заключается в том, что за счет неодинакового темпа изнашивания чередующихся друг за другом локальных объемов структурно-неоднородного материала на поверхности образуется волнистость, которая увеличивает маслоемкость поверхностного слоя, способствует формированию устойчивой гидродинамической масляной пленки, разделяющей поверхности трения, в связи с чем увеличивается несущая способность и износостойкость.

4. Получена зависимость, описывающая оптимальное распределение микротвердости по толщине упрочненного слоя. При этом достигаются наибольшие значения эффективной толщины слоя и его твердости на указанной толщине, отвечающие наименьшей скорости изнашивания.

5. Получены данные о сопротивляемости упрочненного лазером слоя хрупкому разрушению. Изучены механизм и кинетика разрушения поверхностного слоя при ударных нагрузках. Показано, что сопротивление хрупкому разрушению упрочненного лазером слоя зависит от режимов ЛО и исходного состояния стали. Выявлено качественное изменение процесса разрушения. Лазерная обработка зоны концентратора напряжений приводит к возникновению множественного разрушения, которое характерно для композиционного материала. Показано, что при разрушении поверхностного слоя происходит торможение роста трещины по механизму искривления ее траектории при прохождении через структурно-неоднородные слои металла зоны лазерного воздействия. Разработаны оригинальные методы модельных испытаний, поверхностно-упрочненных сталей, контроля качества и свойств упрочненного слоя, что значительно ускоряет процесс выбора технологических режимов ЛО, а также позволяет осуществлять контроль качества и прогнозировать ресурс деталей.

Выявленное при испытаниях и промышленной апробации значительное увеличение показателей прочности и износостойкости характеризуют лазерную обработку как весьма перспективный метод упрочнения высоконагруженных деталей нефтеперерабатывающего оборудования.

ГЛАВА 5. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ЛАЗЕРНОЙ МОДИФИКАЦИИ ДЕТАЛЕЙ.

5.1. Общие рекомендации по выбору режимов лазерной обработки и параметров упрочненного слоя

Выполненные исследования показали, что лазерная обработка поверхностей стальных деталей является эффективным методом целенаправленного формирования высококачественных поверхностных слоев силовых деталей, работающих в условиях многофакторного воздействия.

В первую очередь, это положение относится к вращающимся деталям приводов различных типов машин и оборудования.

В то же время эффективность применения лазерной обработки в большей степени зависит от выбора оптимальных режимов обработки, правильного построения технологического процесса изготовления детали, а также от устанавливаемых в документации характеристик упрочненного слоя.

С учетом этого в диссертации разработаны общие рекомендации по выбору номенклатуры деталей для лазерной обработки и характеристик упрочненного слоя.

Необходимыми этапами при разработке и внедрении лазерных технологий являются:

1. Анализ критериев выхода из строя деталей, оценка предельных и допустимых состояний поверхностных слоев (разрушение, изнашивание и т.п.).

2. Квалификация деталей по группам, в которых главным критерием является толщина изнашиваемого слоя, точность трибосопряжения, ресурс деталей, соответствующий предельной величине износа поверхности.

3. Оценка кинетики и механизма износа, а также изменений характеристик поверхностного слоя в процессе эксплуатации.

4. Выбор деталей, для которых повышение микротвердости поверхностного слоя, получение особого структурного состояния и топографии поверхности за счет лазерной обработки является эффективным методом повышения сопротивляемости изнашиванию.

5. Разработка оптимальных технологических процессов лазерной обработки.

6. Использование разработанных экспресс-методов оценки качества поверхностного слоя, ускоренных модельных испытаний и окончательный выбор варианта технологического процесса.

Из анализа предельных состояний большой группы деталей приводов машин и оборудования следует, что чаще всего предельное состояние достигается при величине износа на диаметр 10(Н200 мкм. К таким деталям относятся, прежде всего, валы, оси и т.п., которые являются опорами скольжения или качения. Предельные износы в пределах 20(Н600 мкм относятся к поверхностям валов, работающих в контакте с элементами уплотнений. Предельные состояния деталей с большими износами встречаются крайне редко.

В связи с этим, используемые в промышленности методы упрочнения с помощью токов высокой частоты или химико-термической обработки, при которых толщины упрочненных слоев составляют 1500-^5000 мкм не всегда являются эффективными и обеспечивающими требуемые свойства поверхностного слоя. Кроме того, указанные методы реализуются с высокими энергетическими затратами, приводят к деформации и короблению деталей, необходимости применения дорогостоящего оборудования для финишных

Изменение микротвердости по толщине упрочненного слоя

Рис. 5.1.

1 - оптимальная технология лазерной обработки;

2 - не оптимальная технология. операции.

Из результатов исследований, выполненных в диссертации, следует, что при мощности лазерного излучения 0,9-1 кВт в большинстве случаев обеспечиваются оптимальные структуры и свойства поверхностного слоя на толщине 600-800 мкм, что вполне достаточно для большой группы деталей машин и оборудования.

Твердость в каждой точке упрочненного слоя может быть найдена по формуле (2.11.), а ее распределение при оптимальных режимах должно отвечать кривой 2 (рис.5.1.). Следует отметить, что технологический процесс упрочняющей обработки, используемый в каждом конкретном случае, является приемлемым и эффективным, если в результате упрочнения формируются слои с высокими значениями эффективной твердости необходимой эффективной толщиной слоя и оптимальным соотношением к общей толщине слоя ¡7у.

Из рис. 5.1. видно, что при одной и той же толщине упрочненного слоя Ну технологический режим 2, формирует слой с меньшей эффективной толщиной соответствующей слою с наиболее высокими значениями твердости, определяющей сопротивляемость изнашиванию.

Для ответственных деталей рекомендуется Нэф > 8000 МПа, И*ф > 0,5, ку > 0,5. Именно эти характеристики обеспечивают высокое качество и износостойкость поверхностного слоя.

Таким образом, при выборе режимов лазерной обработки необходимо обеспечить оптимальное распределение микротвердости по толщине упрочненного слоя и указанные выше значения характеристик металла в зоне лазерного воздействия.

На основании изложенных выше рекомендаций определяется выбор схемы расположения лазерных дорожек.

Для исследуемых деталей нефтеперерабатывающего оборудования принята кольцевая схема расположения дорожек со степенью перекрытия (0,5~Ю что обеспечивает высокие качества и эксплуатационные характеристики поверхностного слоя, а также реализацию эффекта самоорганизации поверхностей трения. В определенных случаях схема обработки может исключать наложение закаленных дорожек, которые могут располагаться под углом 45°.

Для получения общей толщины упрочненного слоя Ну > 600 мкм при лазерной обработке неизбежно оплавление поверхности, что приводит к ухудшению микрогеометрии и необходимости введения операции шлифования с припуском не более 100 мкм. Этого вполне достаточно для обеспечения требуемого качества поверхностного слоя.

5.2. Разработка технологических процессов лазерной обработки деталей нефтеперерабатывающего оборудования

С учетом результатов исследований и приведенных выше рекомендаций были разработаны новые технологические процессы лазерной обработки некоторых основных деталей нефтеперерабатывающего оборудования, используемого на Волгоградском нефтеперерабатывающем заводе.

Разработанная типовая маршрутная технология деталей типа опоры скольжения приведена на рис. 5.2.

Новый технологический процесс имеет следующие преимущества: - чистовая обработка выполняется при минимальных припусках (не более 2 мм);

- лезвийная обработка выполняется при наиболее благоприятной для механической обработки твердости материала, что позволяет повысить стойкость инструмента и точность выполнения размеров при использовании более высоких режимов резания;

- на поверхностях, не требующих упрочнения, не предусматривается введение припусков (деформации валов практически отсутствуют), что позволяет повысить коэффициент использования металла и снизить трудоемкость;

- финишное шлифование отсутствует. Применение его возможно только при обработке с оплавлением. При этом применение уменьшенных припусков снижает необходимое число проходов и уменьшает трудоемкость операции;

- весь технологический процесс реализуется в неразрывной технологической цепи без межцеховых транспортировок деталей, в результате чего сокращается общий цикл их изготовления;

- впервые технологический процесс реализуется в условиях ремонтного производства. При этом качество и свойства поверхностного слоя отремонтированных деталей существенно превышает качество деталей фирменного изготовления на заводах - изготовителях машин и оборудования.

Номенклатура деталей, для которых разработаны и внедрены технологии лазерной обработки, а также типовой технологический процесс, разработанный с использованием результатов теоретических и экспериментальных исследований, приведены в приложении.

При этом использованы оригинальные методы контроля качества поверхностного слоя, разработанные в диссертации.

Маршрутная технология изготовления валов насосов

Рис. 5.2.

5.3. Рекомендации по методам оценки качества и испытания поверхностных слоев.

Как было показано выше, одной из основных характеристик, определяющих эксплуатационные свойства деталей нефтеперерабатывающего оборудования, является сопротивляемость их рабочих поверхностей износу. При этом следует отметить, что особенностью поверхностно-упрочненных деталей является неравномерное изменение триботехнических свойств поверхностного слоя с расстоянием от поверхности. Основным недостатком описанных в литературе методов при определении износостойкости таких деталей, является невозможность получения непрерывной картины изменения триботехнических характеристик по глубине слоя. Поэтому в диссертации разработан и широко опробован метод испытаний на модернизированной установке «Савин-Шкода» с использованием исследуемого образца с косым срезом, на исследуемую поверхность которого выходят все структурно-неоднородные зоны упрочненного слоя. При испытаниях по данной методике имеется возможность получать данные о динамике изнашивания той части слоя, которая соответствует допустимой или предельной величине износа детали в процессе эксплуатации, а также исследовать закономерности и механизм изнашивания различных зон упрочненной поверхности.

В диссертационной работе было установлено, что интегральной характеристикой сопротивляемости изнашиванию и разрушению поверхностно-упрочненных деталей служит микротвердость. Поэтому оценка микротвердости является одним из самых распространенных методов при изучении широкого комплекса физико-механических и триботехнических свойств поверхностных слоев. Однако, к существенным недостаткам методам можно отнести необходимость специальной подготовки исследуемой поверхности или нарушение целостности детали для изготовления микрошлифа. Поэтому для оперативной систематической оценки качества поверхностно-упрочненного слоя необходимо было выбрать более простой с точки зрения его реализации метод. Проведенный ряд экспериментов с использованием различных типов твердомеров («Суппер-Роквелл» и применение электроакустического твердомера «ТЭА-5») показал, что при испытательной нагрузке 15 кгс твердость, полученная на поверхности упрочненного слоя, практически не отличается от твердости, полученной при ее замере на микротвердомере. Поэтому в разработанном технологическом процессе определено, что поверхностная твердость по обработанной лазером поверхности контролируется на 100% деталей, а микротвердость не реже одного раза в месяц от партии металла, определенного химсостава и имеющей сертификат качества.

В результате проведенных исследований установлено, что незначительные изменения в режимах лазерной обработки приводят к формированию структур и толщин слоев, существенно отклоняющихся своими характеристиками. Это указывает на то, что очень важно осуществлять контроль параметров упрочненного слоя в процессе обработки.

С этой целью в диссертации разработаны неразрушающие методы контроля качества лазерной обработки и глубины упрочненного слоя, которые также используются в технологическом процессе.

Так, например, выполненные исследования показали, что для данной марки стали каждому конкретному режиму лазерной обработки соответствует структура поверхностного слоя, имеющая строго определенное содержание углерода в мартенсите. Поэтому по данной характеристике можно производить оценку качества лазерной обработки. Для этого, с использованием образцов-свидетелей, предварительно строят эталонные кривые, характеризующие содержание углерода в мартенсите, соответствующие оптимальной микроструктуре. Отклонение полученных значений на обработанных лазером деталях от эталонных, свидетельствуют о нарушении технологического процесса упрочнения.

Сущность разработанного неразрушающего метода контроля глубины упрочненного слоя, заключается в том, что вместе с обрабатываемой деталью лазерной обработке подвергается образец-свидетель, торцевая поверхность которого представляет собой микрошлиф. Установка детали и образца-свидетеля осуществляется таким образом, чтобы их торцевые поверхности были плотно прижаты друг к другу, а наружные совпадали. После проведения лазерной обработки и разъединения детали и образца-свидетеля на торцевой полированной поверхности последнего четко выявляется контур зоны лазерного воздействия, который подвергается измерениям при помощи простых оптических средств.

Учитывая, что детали нефтеперерабатывающего производства работают в условиях многофакторного силового воздействия и, помимо износа, испытывают знакопеременные циклические нагрузки, то для оценки их надежности необходимо на стадии проектирования определить сопротивляемость поверхностного слоя к зарождению и развитию трещины. Поэтому в диссертации был использован метод определения ударной вязкости с осциллографированием процесса разрушения. По результатам таких испытаний можно определить, как полную работу, затраченную на разрушение образца, так и ее составляющие.

Для более полной оценки качества обработанного лазером поверхностного слоя в диссертации применялись металлографические и фрактографические исследования.

Следует отметить, что все методы исследований и испытаний, используемые в диссертации, выбирались и разрабатывались с учетом получения более полной картины поведения поверхностного слоя выбранной номенклатуры деталей с учетом реальных условий их эксплуатации.

5.4. Технико-экономические рекомендации по внедрению лазерных технологий.

Разработка технологического процесса лазерной обработки и оценка его эффективности должна включать следующие этапы:

- расчет оптимальных режимов обработки;

- выбор типа оборудования;

- разработка технологической оснастки;

- корректировка режимов с учетом выбранного оборудования;

- расчет геометрических характеристик зоны лазерного воздействия, которую позволяет получить выбранное оборудование при оптимальных режимах.

Расчетными параметрами процесса лазерной обработки являются диаметр фокального пятна с1д, мм, диаметр закаленной зоны ¡, мм, мощность лазерного излучения Р, Вт.

Экономическим показателем являются удельные приведенные затраты на единицу закаленной лазером площади 8:

5 = 3к. I

5.1.) где К0 - приведенные затраты на единицу времени работы оборудования (руб./ч.), определяемые по формуле [5.2.]

Ко=Си + к

Т-А Р

Н '

5.2.) где Си - текущие эксплуатационные затраты на 1 ч. работы лазера, руб.;

К/Т - А - удельные капитальные вложения на единицу времени работы лазера, руб/ч.;

Т- действительный годовой фонд времени работы лазера, час;

А - коэффициент использования лазера по мощности и времени;

Ен - нормативный коэффициент эффективности {ЕН=Ъ,\ 5).

Экономическим критерием выбора технологического варианта лазерной обработки является минимальное значение К0 при одновременном удовлетворении технологических требований процесса.

1. Поверхностная прочность материалов при трении. Под общ. ред. Костецкого Б.И. Киев: Техника, 1976. - 296 с.

2. Алехин В.П. Физика прочности и пластичности поверхностных слоев материалов. М.: Наука, 1983. - 280 с.

3. Агеев В.И. Адсорбционно-десорбционные процессы на поверхности твердого тела // Поверхность, 1984. № 3. - С. 5-26.

4. Иванова B.C., Терентьева В.Ф. Пойда В.Г. Особенности поведения поверхностного слоя металлов при различных условиях нагружения. В кн.: Металлофизика, Киев: Наукова думка, № 3, 1972. С. 63-83.

5. Рид В.Т. Дислокации в кристаллах. М.: Металлургиздат, 1957. - 257 с.

6. Грег С., Синг И.Адсорбция. Удельная поверхность/ Пер. с англ. М.: Мир, 1984.-310 с.

7. Лихтман В.И., Щукин Е.Д., Ребиндер П.А. Физико-химическая механика металлов. Адсорбционные явления в процессах деформации и разрушения металлов. М.: Изд-во АН СССР, 1962. - 303 с.

8. Бокштейн Б.С., Бокштейн С.З., Жуковский A.A. Термодинамика и кинетика диффузии в твердых телах. М.: Металлургия, 1974. - 280 с.

9. Куксенова Л.И., Толокольников В.И., Рыбакова Л.М. Перераспределение элементов в поверхностных слоях медно-алюминиевых сплавов при трении // Поверхность, 1984. № 3. - С. 125-130.

10. Защита от водородного износа. Под ред. Полякова A.A. М.: Машиностроение, 1980.- 135 с.

11. П.Шаповалов Э.Т., Хромов С.М., Устименко М.Ю. Исследование методом оже-спектроскопии поверхностных слоев сплава ХН40МДБ после коррозии в серной кислоте // Защита металлов, 1983. Т. XIX. № 1. 71-78 с.

12. Рыбакова JI.M., Куксенова Л.И. Трение и износ / Металловедение и термическая обработка. Т. 19: Итоги науки и техники. ВИНИТИ АН СССР. М.: 1985.-С. 150-243.

13. И.Комбалов B.C. Оценка триботехнических свойств контактирующих поверхностей. М.: Наука, 1983. - 136 с.

14. Усталостное разрушение металлов. -М. 1963. - 272 с.

15. Иванова B.C., Гуревич С.Е., Коньев И.М., и др. Усталость и хрупкость металлических материалов. М.: Наука, 1968. - 215 с.

16. Крагельский И.В., Колесниченко Н.Ф. Качество поверхности и трение в машинах. Киев: Техника, 1969. - 145 с.

17. Коваленко B.C. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов. Киев: Высшая школа, 1975. - 185 с.

18. Дрозд М.С., Тескер Е.И. Глубинные контактные разрушения зубьев цементованных шестерен. // Вестник машиностроения, 1974. - № 4. - С. 21-25.

19. Дрозд М.С., Матлин М.М., Сидякин Ю.И. Инженерные расчеты упругопластической контактной деформации. М.: Машиностроение, 1986. -224 с.

20. Лахтин Ю.М., Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов. М.: Металлургия, 1985. - 256 с.

21. МозбергР.К. Материаловедение. -М.: Высшая школа, 1991. 448 с.

22. Лахтин Ю.М., Коган Я.Д. Азотирование стали. М.: Машиностроение, 1976. -254 с.

23. Прокойкин Д.А. Химико-термическая обработка металлов. Карбонитрация. -М.: Машиностроение, 1984. 240 с.

24. Попов A.A. Теоретические основы химико-термической обработки стали. -Свердловск: Металлургиздат, 1962. 120 с.

25. Прокойкин Д.А., Тутатчикова A.B., Гулей Г.Г. Поверхностное упрочнение аустенитных нержавеющий сталей методом карбонитрации. В кн. Труды МВТ, 1983. -№ 4.-С. 9-18.

26. Козлов В.А., Рукина И.М. Использование природного газа при химико-термической обработке инструмента и деталей машин.

27. Кудрявцев И.В., Саверин М.М., Рябченков A.B. Методы поверхностного упрочнения деталей машин. М.: Машгиз, 1949. - 221 с.

28. Папшев Д.Д. Отделочно-упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием. М.: Машиностроение, 1978. - 152 с.

29. Хворостухин П.А., Шишкин C.B., Ковалев А.П., Иймаков P.A. Повышение несущей способности деталей машин поверхностным упрочнением. М.: Машиностроение, 1988.-144 с.

30. Торбило В.М. Алмазное выглаживание. М.: Машиностроение. 1972. - 104 с.

31. Балтер М.А. Упрочнение деталей машин. М.: Машиностроение, 1978. - 184 с.

32. Серенсен C.B., Когаев В.П., Шнейдерович P.M. Несущая способность и расчеты деталей машин на прочность. М.: Машиностроение, 1975. - 488 с.

33. Аскинази Б.М. Упрочнение и восстановление электромеханической обработкой. М.: Машиностроение, 1989. - 200 с.

34. Трение, изнашивание и смазка. Справочник. Под ред. Крагельского И.В. и Алисина В.В. Т. 2. М.: Машиностроение, 1979. - 358 с.

35. Аскинази Б.М. Упрочняемость деталей машин электромеханической обработкой // Вестник машиностроения, 1981. № 1. - С. 19-21.

36. Любарский И.М., Палатник Л.С. Металлургия трения. М.: Металлургия, 1976.- 176 с.

37. Рыкалин H.H., Зуев И.В., Углов A.A. Основы электроннолучевой обработки материалов. М.: Машиностроение, 1978. - 240 с.

38. Иванов Г.П. Технология электроискрового упрочнения материалов и деталей машин. М.: Машгиз, 1961. - 3 03 с.

39. Крутянский М.М., Никулин A.A. Применение плазменного нагрева. М.: Энергия, 1964.

40. Рыкалин H.H., Углов A.A., Кокора А.Н. Лазерная обработка материалов. М.: Машиностроение, 1975. - 296 с.

41. Итин В.И., Коваль H.H., Месяц Г.С., и др. Поверхностное упрочнение сталей при воздействии интенсивного импульсного электронного пучка. // ФиХОМ, 1984. -№ 6.-С. 119-122.

42. Ольшанский И.А., Михайлов A.B., Кривоносов В.А., Трусова И.И. Повышение долговечности легированных сталей путем оплавления их поверхности электронным лучом. // МиТОМ, 1984. № 9. - С. 30-31.

43. Паньков Н.П. Износостойкость деталей после электроискрового упрочнения. // Вестник машиностроения, 1955. № 2. - С. 41-44.

44. Митхевич С.П. Износостойкость чугуна после механизированной электромеханической обработки бронзой. // Сб. научн. Трудов ФТИ АН БССР, вып. 4. Минск: Изд-во АН БССР, 1958. - С. 189-193.

45. Чатынян J1.A., Лазаренко Н.И. Повышение износостойкости поверхностей трения, работающих при высоких температурах, электроискровым легированием. // Электронная обработка металлов, 1966. № 2. - С. 33-38.

46. Белый A.B., Симонов A.B., Ших С.К. Применение ионного легирования для повышения эксплуатационных характеристик деталей машин и оборудования. Минск: БелНИИНТИ, 1985. - 44 с.

47. Копецкий Ч.В., Вяткин А.Ф. О некоторых направлениях развития материаловедения. // Вестник АН СССР, 1982. № 1. - С. 47-56.

48. Городецкий А.Е., Гусенова М.И., Томащов Н.Д. Формирование коррозионно-защитных слоев на титане методом ионной имплантации палладия. // Поверхность: физика, химия, механика, 1982. № 3. - С. 83-88.

49. Владимиров Б.Г., Гусенова М.И., Иванов С.М., и др. Повышение циклической прочности металлов и сплавов методом ионной имплантации. // Поверхность: физика, химия, механика, 1982. № 7. - С. 139-147.

50. Hedlond Donald F. Laserin Actinn. // Frod End., 1974, 20, № 2. P. 21-24.

51. Григорьянц А.Г. Основы лазерной обработки материалов. M.: Машиностроение, 1989. - 304 с.

52. Рыкалин H.H., Углов A.A., Кокора А.Н. Лазерная обработка материалов. М.: Машиностроение, 1975. - 296 с.

53. Криштал М.А., Жуков A.A., Кокора А.Н. Структура и свойства сплавов, обработанных излучением лазера. М.: Металлургия, 1973. - 192 с.

54. Григорьянц А.Г., Сафонов А.Н. Методы поверхностной лазерной обработки. Кн. 3. М.: Высшая школа. - 1987. - 191 с.

55. Шригорьянц А.Г., Сафонов А.Н. Основы лазерного термоупрочнения сплавов. Кн. 6. -М.: Высшая школа, 1988. 159 с.

56. Гурьев В.А., Тескер Е.И. Особенности формирования микроструктуры и свойств поверхностного слоя нормализованной среднеуглеродистой стали 40 при лазерной обработке. // ФиХОМ, 1993. № 4. - С. 105-109.

57. Дуросов В.М., Стульников А.Е. Формирование масляного слоя в тяжелонагруженном контакте при качении со скольжением /MOTOAVTO-98/: Доклады Международной конференции (София, Болгария), 1998.

58. Гурьев В.А., Тескер Е.И. и др. Исследования динамических процессов при трении высоконагруженных опор качения // Там же.

59. Металловедение и термическая обработка стали. Справочник / Под ред. Берштейна М.П. и Райхштадта А.Г. М.: Металлургия, 1991. - 304 с.

60. Рентгенография. Спецпрактикум. Авдюхина В.М., Батсурь Д., Зуюенко В.В., и др. / Под общ. Ред. Канцельсона A.A. М.: Изд-во Московского университета, 1986.-240 с.

61. Фридман Я.Б., Гордеева Т.А., Зайцев A.M. Строение и анализ изломов. М.: Машгиз, 1960. - 128 с.

62. ГОСТ 9450-76. Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников.

63. Новые методы оценки сопротивления металлов хрупкому разрешению. / Пер. с англ. Под ред. Работнова Ю.Н. М.: Мир, 1972. - 439 с.

64. ГОСТ 9454-78. Металлы. Метод испытаний на ударный изгиб при пониженной, комнатной и повышенной температурах.

65. Самотугин С.С., Лещинский .К., Пирч И.И., и др. Определение характеристик трещиностойкости углеродистых сталей, упрочненных плазменной струей. // Заводская лаборатория, 1985. № 7. - С. 60-64.

66. Хецберг Р.В. Деформация и механика разрушения конструкционных материалов. М.: Металлургия, 1989. - 576 с.

67. Методы испытания, контроля и исследования машиностроительных материалов. Справочное пособие. Т. 2. Методы исследования механических свойств металлов. Под общ. Ред. Туманова А.Т. М.: Машиностроение, 1974. -320 с.

68. Дагис З.С. Способ определения износостойкости покрытия. // A.c. № 862049. Опубл. В Б.И., № 33. 1981.

69. Дорофеев А.П., Любашов Г.А., Останин Ю.Я. Измерение толщины покрытий с помощью вихревых токов. М.: Машиностроение, 1975.

70. Григулис Ю.К. Электромагнитный метод анализа слоистых полупроводниковых и металлических структур. Рига: Знание, 1970.

71. Вязмина Т.М., Веремеевич А.Н., Иванов И.А., и др. Получение однородного закаленного слоя при лазерной обработке стали 9х. // ФиХОМ, 1988. №6. -С. 63-66.