автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Разработка расчетной методики прогнозирования структуры при лазерной закалке углеродистых сталей для выбора рациональных режимов упрочнения деталей машин

' МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕША, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РКВОШДОИ гА Й ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО 8НАМШШ ГОСТДАРСТВЭДШИ ШНИЧВСКИИ УНИВЕРСИТЕТ юа.Н.Э.Бвумана

л-5*

На правя* рукописи

ЩЕРБАКОВА Елена Анатолмвна

РАЗРАБОТКА РАСЧЕТНОЙ МШДОКИ ПР0ИЮЗИР0ВАНИЯ' СТРУКТУР ПРИ ЛАЗЕРНОЙ 8АКАЖВ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ ДЛЯ ШОРА РАЭДОШШХ ЮТОВ УПРОЧНЕНИЯ ДЭГАЖЙ МАШН

06,16.01 - Мэталловэдэнид я термическая обработка металлов 06.03,07 - Оборудование и Технология лазерной обработки

Автсрвфэра? диссертации нв соисканий ученей смени кявдшта тмтчъат неук

. Москва 1Ш

Работа выполнена в Научно-исследовательском центре да тедадогическим лазерам РАН и Московском ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени Государствен!, м техническом университете им,Н.Э.Баумана.

Научные руководители; профессор, д.т.н. А.Г.Васильева

д.т.н. А.Н.Сафонов

Официальные оппонента! \Крапошин B.C.

К.Т.й. Радченко Р.Д.

Ведущее предприятие ЩШЫаш ,п t

Задата диссертации состоится " ^ ' " ^Ж14V' 1993 г. на заседании оуециализироршшого совета К053.1Б.13 в Московском ордена Ленине, епдена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени Государственном техническом университете им.Н.Э.Баумана по вдресу :107005, г.Москва, 2-я Бауманская, д,5,

Ваш отзыв на автореферат, заверенный печатью, просим выслать по указанному едресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ.

Келепре присутствовать на защите должны заблаговременно известить Совет шоьмами заинтересованных организаций ва имя председателя Совета.

Телефон для оправок 263-65-14.

Автореферат разослан * * u(X(W 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета к.т.я., доЦент

M^t

И.Н.Шубин

Тира*/«: акэ. Подписано к печати 7.PS". 03г. ротапринт ШУ им, Н.Баумана. Шщ 1 и.л. v '

Актуальность тема: В последние года -мощные СОг-лазеры находят широкое применение для поверхностной закалки деталей машин и инструмента в промышленности как у нас в стране, так и за рубе-. ком. Применение лазерной термообработки (ЛТО) позволяет использовать для их изготовления обычные конструкционные стали вместо дорогостоящих легированных.

Исследования поверхностной ЛТО показали, что результат зависит слоеным образом от переменных параметров процесса: мощности лазерного излучения, диаметра и формы лазерного пятна, скорости перемещения детали относительно лазерного луча, а такие состава и исходного структурпого состояния сталей и сплавов. Основные труд-1 ности исследований состоят в том, что на механизмы.изучаемых явлений сильное влияние оказывают электромагнитные поля в зоне воздействия лазерного излучения. В этом случае температурное поле . -единственная независимая характеристика, через которую определяются все остальные: движение Фэзоеых границ, массоперенос химических составляющих сплава и т.д., позволяющие прогнозировать формирование структуры в зоне термического влияния (ЗТВ) после охлакдения. •

Построешо физико-математической модели процесса .ТГО с целью выбора рациональных'рекимоз обработки и прогнозирования структура в ЗТВ позволяет значительно ускорить и удешевить выполнение работ по упрочнению деталей машин, так как не требует проведения трудоемких и дорогостоящи экспериментов, а такке металловедческих исследований.

Цель работы: Разработка расчетной методики прогнозирования основных закономерностей формирования структуры и свойств до- и заэвтектоидных углеродистых сталей в зоне термического влияния, при лазерной'закалке; разработка на их основе рекомендаций по шбору рациональных режимов лазерного упрочнения деталей машин.

Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:

1) разработать алгоритм численного расчета температурного ноля в ЗТВ при лазерной закупке с учетом зависимостей тешгофнзяческих коэффициентов от температуры и провести экспериментальную проверку точности расчетов;

2) провести исследование влияния режимов, лазерной обработки при непрерывном действии излучения на температурное поле в зтв различных сталей; .

3) разработать алгоритм численного расчета фазового а-7- пре-

' ' у ■

врадешя и диффузионного перераспределения угларода между фазами исходной структуры в ЗТВ с экспериментальной проверкой точности расчетов;

4) разработать практические рекомендации. по выбору режимов лазерного упрочнения деталей.

Научная новизна: Установлены основные закономерности диффузионных процессов, определяющих формирование структуры и свойств до- и заэвтектоидных углеродистых сталей при лазерной закалке.

Разработана методика прогнозирования структуры в STB сталей при лазерной задание, включающая:

1) шбор режима термообработки без оплавления поверхности на необходимую глубину упрочнения по построенным диаграммам;

2) численный расчет трехмерной задачи теплопроводности при воздействии лазерного луча, движущегося по.прямой и по спирали, с рязлачшм пространственным распределением плотности мощности на tK-cftpsHocra массивного твердого тела, а также с учетом зависимости тешюфизических коэффициентов от температуры;

3) числоннуй расчет диффузионной модели снт-превращения в ЗТВ с учетом температурной и концентрационной зависимостей коэффициента диффузии, позволяющий оценить полноту протекания . процесса перераспределения углерода мекду исходными фазами в ЗТВ.

В результате теоретических и экспериментальны.: исследований фазовых превращений при различном содержании углерода и после различной предварительной обработки установлены законов .-рности шшяния исходной структур« на процесс аустеннгазации углеродистых сшгей.

Практическая ценность: Но основа расчетов построены диаграммы

<!.!!н выбора мопуюсти (или рабочей плотности мощности) лазера и интервала скоростей сер. метения детали относительно луча для'Дании. диаметра луча, коэффициента поглощения покрытия и содержания угларода в стали, позволяющее найти рациональные режимы обработка детали па необходимую глубину упрочнения.

Разработаны способы лазерной термообработки:

1) крупногабаритных деталей при непрерывном изменении расстояния oi фокусирущей систегн до плоскости обработки с целью под-дер*аю?я постоянной глуО;гы упрочнения;

2) до галей тина тел вращения при поддержании температуры на иоЕерхягогя одного витка в интервале от тешературы кипепия мо-•«агя до темперэтуры начала мар-тенситного превращения при одно-шм'глчпксм ссл&ждош участков поверхности детали перед пятном

лазерного нагрева и посла него с целью повышения глубины упрочнения и твердости.

Апробация работы: Основные результаты и положения диссертация докладывались и обсуждались па:

1 .Научно-техническом краткосрочном семинаре "Новые ста.пи и сплл-

вн, режимы их термической обработки" (Ленинград, 1989). 2.Областном научно-техническом семинаре "Применение лазеров в науке и технике" (Тольятти, 1989).

3.Научно-техническом семинаре "Новые разработки и опит внедрения лазерной техники и технологии" (г.Укгород, 1990)

4.Научно-техническом сешшаре "Новые материалы и ресурсосберегающие технологии теряическсй и хшико-терм.;ческой обработки деталей машин и инструмента" (Пенза, 1990).

5.17 национальной конференции и технической Еыставке "Laser arid ■ their applications" (Пловдив, Болгария,1990). 6.Научно-технических семинарах Научно-исследовательского центра по технологическим лазерам. Публикации: Основное содержание диссертации отроке но в 3 статьях, тезисах 5 докладов и 2 авторских свидетельствах.

Обьеа работа: Диссертация состоит из введения, шести г.нап, выводов, приложений и содершт 203 страшим машинописного текста, включая 11 таблиц, рисунков, список литературы из 147 наименований.

Содержание работа,

В введенииЕ обоснована актуальность работы, ее цель, научная новизна и практическая ценность результатов исследований.

В первой главе дан литературный обзор современник представлений о сущности лазерного термоуцрочненпя, штодах определюшя параметров ЛТО, кинетике зустешшюго превращения, тершшжч--ческих аспектах теории дпффугта .углерода в пустеннте, метоле* расчета темпвратуршх полей и краевых, задач с прдхччг* >1, , •> границами, а также математическом моделироьзьи! лр-цт'' Фк При воздействии температурного поля в стр»ктл * • > о ходят фазовые изменения, кинетика которых гт щ -ч . атся неоднозначно. Дйскуссиоктгм остается цлщ,-* о рождения 7-фззы. Показано, ч'го в случае дю . *г< >v - - i - , шей у-фаз^ критического размера не влияет г?, t т* • , j '; ния.

Характерные размеры систем (1...50 мкм), .•Рассматриваемых, в рамках теории диффузии углерода в .аустените, позволяют считать систему находящейся в каждый момент времени в тершдинашчес :ом равновесии и использовать для ее описания термодинамические ■ потенциалы.

Универсальных методов решения тепловой и диффузионной задач не существует. Для практического применения, когда требуется получе-ике детальной 'информации о параметрах лазерного нагрева реальных металлов, распределении концентрации углерода и положении фазовых границ на стадиях нагрева и охлаждения, целесообразно использовать численные метода решения данных задач. Они позволяют достаточно просто. учесть теш ратурнне зависимости теплофизических коэффициентов и концентрационную зависимость коэффициента диффузии. Математическое моделирование процесса ЛТО является очень актуальным, так как оно позволяет сократить дорогостоящие экспе-римонтальные работы. Существующие до сиг пор модели недостаточно просто описызают процесс ЛТО: либо не учитывают зависимости входящие в тепловую и диффузионную'задачи коэффициентов от соответствующих переменных процесса, либо опускают некоторые стадии-фазового превращен? . Все зто пока еще не дает возможности . рыстро и надежно прогнозировать■структуру в ЗТо по^ле охлажпеш'я.

Во второй гдева приедены сведения об исследуемых сталях, оборудовании для нвталловедаеекго: и микроскопических исследований, методиках оценки размзрои дерзи " экспериментального измерения температура» к ?аюкз ещдадедзнкя; погрешности измерений.

В качаотпе о0ъакг?о2 для всоледовваая процесса перераспределе-:ж углерода а вустеккт» внутри дарлатжзй колонии, между перлит; ,'и ' з (Г-зр-^псд.г дгл дозвтектоидпой к цементитными „ с 'влт) серн..,при лазерной обработке выбрали широко рюфосгранзшшэ в вазаяоетроент: простае углеродистый стали 20, 45 а У9 в различных всходах состояниях.

Исходное состояние структур« стали 20 - после прокатки; размер перлитного корня 1и-30 ик.}:, размер фэрркгпого ¿ерна 1ф=30 мкм, кзашаса-шючноэ расстояние в перлите До--0.6 мхм.

1'сходгюе постогаше стечи 45 - после нормализации; с.руктурные пкраметри: 1п-!Ю шда, 1ф- 5.3 мкы, Л0-С1.6'мкм.

Ооразиа из стали У9 специально подготавливали для исследования илияиии различной дисиор.-носта на полноту завершения процесса ауспилтизацви. После от акта в печи при Т=1?.73 К в течении t-? ч ox.;;a>r;;C'ii!i;: на воэдуде,:образца шязрживалв п печи при Tri063 К

в течение 1=45 мин, а затем I серию образцов охлавдали с печью (здесь получено Ао=0.7 мкм), II серию - на воздухе (А0=С.З мкм), П7 серию - в масла (До=0.14 мкм). Для всех образцов 1п=30 мкм. сетка избыточного цементита отсутствует.

■ Металлографические исследования проводили по традиционной методике на оптическом микроскопе "ЫеорЬо1;-32"; микроскопические исследования - ва микроскопе "1е1Лг МеЪаПотегЪ" с телевизионной приставкой: электронномикроскопические исследования - в сканирующем электронном микроскопе "Сашзсап - 4ТО" при использовании сиг-нвла вторичных электронов; количественный анализ изображений структуры (оценку Д0) - с помощью характеристического рентгеновского излучения Ка углерода системы анализа изображений "У1бео1аЬ -'2" с использованием двумерного Фурье-анализа изображения структуры; микрорентгеноспекгральные измерения - с помощью системы анализа с дисперсией по длинам волн "М1сгозрес ЗРЗ"; исследования механических свойств - на микротвердомэре ПМТ-3.'

Для оценки размеров зерен использовали методику линейного анализа для многофазно-шлиэдрической структуры.

Разработали методику измерения температурного поля в образце-на различных расстояниях от обрабатываемой поверхности. Методика "включает подготовку образцов к эксперименту, выбор режима обработки и способ крепления термопары в образце. Для записи температурного цикла на многолучевой шлейфовый осциллограф Н117 использовали гальванометры с собственной частотой 400 Гц, алюмель-хромелевне термопары с диаметром проволоки 200 мкм и осциллограф-ную бумагу УФ. Крепление термопары в образце было жестким механическим, таким, что горячий спай термопары, обмазанный теплопро-водящей пастой КИТ-8, упирал.л в конусное окончание расточки, внутри образца. В эксперименте использовали лазерную установку ЗР-820 мощность до 1.5 кВт и гауссовым распределением плотности мощности по пятну.

Погрешность измерения диг татра оплава рассчитывали по отношению средней погрешности среднего значения к среднему значению (1П.

Методическая погрешность при контактном измерении температур зависит, в частности, от разницы, термических сопротивлений приемника температур (ИПТ) и того участка тела, где размещается ИПТ, а также от разницы в удельных теплоемкостях и плотностях: ИПТ и исследуемого объекта. Погрешность измерения внутренних темпер-чтур состоит . з: величины температурного возмущения внутри ИПТ, вызванного существующем в теле температурным полем с игсестшм пер-

воначальным градиентом; динамической погрешностью, обусловленной зависимость» температуры тела от времени; погрешностью измерения, обусловленной влиянием грашщ тела.,

В третьей главе приведена постановка трехмерной нестационарной нелинейной тепловой задачи для ЛТО, численная схема ее решения и описание компьютерной программа, рев-гак^щей данную схему. Проведена экспериментальная проверка результатов расчетов температурного поля в стальном образце. Исследовано влияние параметров процесса ЛТО (мощности, диаметра пятна и скорости обработки) на максимальную температуру нагрева поверхности, РазрсЗотан пакет программ, позволяющий выполнить графическое изображение процесса ЛТО. На основа расчетов по представленному пакету программ построены диаграммы выбора рациональных реясимов обработки.

В общем виде тепловая задача описывается уравнением:

рО<Т) ~ э <Пт[*(Т) згайг] (I)

где Т - температурно поло, являющееся функцией координат и времени, р - плотность материала, С(Т) - теплоемкость, Ш) - теплопроводность.

В случае термообработки плоски тел, когда по поверхности полубесконечного тела, толщина которого больше 3(3^, вдоль оси х прямолинейно с постоянной скоростью у движется лазерный луч о распределением плотности мощности ,у*у, уравнение (1) должно бить записано в неподвижных декартовых координатах х,у,2. Задача екдаотрична относительно оси луча, расчетная область имеет пределы: Ож+эд, О^+оз, Озв$кя. {[ачалыюэ к граничные условия имеют вид:

Т(х,у,а,ио) « !Г0 (2)

1'(*«о,у,М). « Т(х,у*»,М) ■ Т(х,у,в=«,г) •= Т0 (3)

. Условие но поверхности:

ОТ

-МТ)~ вг

« лча'.у') (4)

гдо (-(з^/га'^/г); у'»у (-чз^/гсу 4^/2). здесь а -

коэффициент еэгловммя, Л^, - диаметры пятно по осям х и у.

В случае термообработки тел вращения, имениях радиус И (ПгЗйд), вроаамдася вокруг своей оси с постоянной угловой скоростью и, и при дааяняи луча <вдоль оси г о постоянной скоростью у, уравнение. (1.), зшшеарчов а. цилиндрических координатах( имеет

вид:

ат в . ат .. te, ат * 1а,- от л

рО(Т)— = —|л(Т)—1 + ~--Ггл<т)—] + —^ —ьмт)—J

at вх 1 ах J г flr1 дг} f- ftp1 <?ф}

Осг^+га; 0<r<R; ОщиЗ.%.

Начальное и граничные условия принимают вид:

T(x,r,<p.t=0) * Т0 (6)

¿(х=эд,г,фЛ) = T(x,r=0,9,t) = Т0 (7)

Условие на поверхности:

г ат cos ф ат i ■

-\(Т) sin ф- +---—i =» Ас (х' ,у') (в)

L Sr г=к R 0ф J

где x'=x-vt (-^гсх'^^/г); у'^соэ^Л) (-0,^/2^'<dr¡„/2).

При расчетах тепловых полей принимаем Л--const, конвективными потерями и потеряю! тепла при сн-у-превращении пренебрегаем. -

В работе рассмотрев следующие Форш распределения плотности мощности: гауссово, р.вномэрное по кругу, равномерное по прямоугольнику, а также в форме "полочки", характерное для многоканального лазера. Условием равномерности расредаления в последнем случае является пересечение гауссаянх распределений излучения двух соседних трубок в точке с плотностью мощности, рпвной поло-; вине максимальной.

Для решения тепловой задачи выбрали "шахматную" численную схему, являщуюся абсолют устойчивой и имеюцу» скорость сходимости «h. Отметим, что для сокращения времени счета и объема оперативной памяти по осям у и 2, перпендикулярным направлении движим луча, введены логарифи-лескиз координаты расчетных узлов. Предложенная схема реализована в компьютерных nporpnvMax CICL, MIL н ROT „О расчета температурных полей соответственно: п плоских образцах при гауссовом распределения плотности мощности, в плоти образцах при расяр делении .плотпости мощности в ifcpíw "полочки" н в цилиндрических образцах при гауссовом рцепр^долетш плотности мощности.

Установлено, что предложенная численная схема точ-

ностью «IOS определять температурные поля, позиикзгшцш и кордом теле под воздействием лазерного излучения.

По разработанной программ* лр?в»д*к pernor тад^ф'иурш подо-л при вары.ровяшта значений мощности ит 0.3 до ю кг<г, яии-/.>гг1 пятна ~ от 2 до 10 мм и скорости оорвб-угки ■■ «п .'».К д«...-*'»

Коэффициент поглощения принят равным А=0.7, распределение плотности мощности - гауссово. На основании расчетоь построены зависимости максимальной температуры разогрева поверхности от одного из параметров процесса ЛТО при' постоянных значениях двух других, позволяющие выбрать наилучшее их сочетание. Построен график зависимости интервала скоростеГ обработки от диаметра пятна при постоянном значении плотности мощности, который можно использовать в качестве операционной карты.

Для графического изображения процесса ЛТО разработан пакет программ на языка Фортран-?7, в который, кроме лрограмм расчета температурных шлей входят: программа МАХ для определения глубины и ширины ЗТВ; программа SCOR для определения интервала скорости обработки бе" оплавления поверхности при постоянных Р и d^.

По расчетным данным для углеродистых сталей с содержанием углерода 0.2; 0.45; 0.8; 0.9 и 1.2S и значений диаметра пятна <^=3; 5 и 10 мм построены диаграммы выбора рациональных режимов обработки без оплавления поверхности. Как показало сравнение с экспериментальными данными, погрешность определения глубины ЗТВ го ■ диаграммам составляет «20%.

В четвертой главе представлены постановка задачи диффузии углерода в аустениге, численная схема расчета одномерного нелинейного нестационарного уравнения диффузии, описание компьютерной программы, реализующей данную схему, а также результаты расчета кинетики аустенитизации стали в изотермических и неизотерм:;ческих условиях.

Для более точного определения глубины упрочненного слоя, а также для прогнозирования структуры после охлаздения необходимо решить задачу диффузии углерода в аустените. Полнота прохождения процесса аустенитизации зависит от температурного цикла и первоначальной структуры стали, определяющей расстояния, которые необходимо преодолеть атому углерода во время диффузии.

Для всех рассмотренных в работе исходных состояний стали задачу диффузии принимали одномерной.

Расчет процесса аустенкгизации проводили в два этапа. На первом этапа рассматривали превращение перлит - аустенит, где задача 'диффузии представляет собсЛ одномерную задачу Стефана- с двумя подвижными границами: цвментит-аустонит - х, (t| л аустенит-фэррит - х2(t). Систему уравнений принимаем в следующем виде:

S

ас а г ас л

— = — D(C.T)--(9)

at ôiJ

C(X,t)| = Cmax(T) (10)

X=X,(t)

ao

D(Cmax.T)-

ax

dx1(t)

X=X1(t)

= (Сц - Сшях(Т))-г- (11)

lit

C(X,t)| = Сш1п(Т) (12)

ас

X=x2(t)

-D(Cmin(T),T)-

ÔX

dx2(t)

x=x2(t)

(Cmln(T ) - Сф)--' (13)

dt

Зависимость коэффициента диффузии от концентрации и температуры имеет вид:

D(C,T) = D0(G)»exp[-E(C)/RTj (15)

где й - универсальная газовая постоянная, D0(C) -• предъэкспонен-циальный множитель, Е(0) - энергия активации. Зависимости DQ(G) и Е(С) известны из справочной литературы.

Для каждой температуры'! концентрацию углерода в аустените Cmar(T) на границе Ц-А (x^t)) находили по линии SE, a Cmin на границе А-Ф (x2(t)) - по линии GS диаграммы Fe-Fe3C.

Задачу (9)-(13) решаем до смыкания движущихся навстречу друг другу фронтов аустенита от двух соседних пластин цементита (хг<Ац/2+Аф/2) и до полного растворения пластинки цементита (x1SO). Начало координат - посередине цементитной пластинки. Выполнение обоих равенств означает завершение аустенитизации и начало гомогенизации в границах зерна перлита. На этой стадии процесса решаем уравнение диффузии (9) с граничными условиями (10) и (12) до полного выравнивания концентрации.

Для эвтектоидной стали на этом процесс завершается. Для до- и заэвтектоидных сталей необходимо приступить ко второму этапу ре-ше- ния задачи диффузии, когда растворяется зерно избыточной фазы, и граница аустенита продвигается в глубь этого зерна. Для всех исходных структур решаем уравнение диф$узии (9) в расчетной области 0«х<1п/2+1изб/2, начало координат которой находятся посередине зерна перлита.

В соответствии с практическими потребностями при математичес-

?

icon моделировании фазовы.» переходов необходимо в большинства случаев производить явное выделение движущихся границ, что не каждый ■численный метод позволяет осуществить. Наиболее простой и удобной в реализации является ¡экономичная разностная схема "с ловлей Фронта в узел расчетной сетки". Предлагаемый разностный алгоритм явно рассчитывает положение границы раздела фаз и учитывает немонотонное ее поведение. На основе предложенной разностной схемы разработана программа расчета диффузии углерода в аустените DIP, написанная на языке Фортран-77.

При расчетах по разработанной программе можно получить информации , необходимую для исследования кинетики аустенитного превращения, об изменении под воздействием температурного поля координат фазовых границ и точек с различной концентрацией углерода, а твкзсз о распределении концентрации углерода в аустените на различных етияэх превращения в любой момент времени, что позволяет прогнозировать структуру в ЗТВ.

В пятой главе представлена расчетная матодака прогнозирования отрутуры стали при ЛТО, исследовано влияние на полноту прохождения процесса аустенитизации расстояния от обрабатываемой поверхности, а танке межштстиночного расстояния и режима обработки.

Расчетная методика прогнозирования структура углеродистых сталей при ЛТО включает: выбор по диаграммам режима обработки; расчет температурах полей на различных расстояниях от обрабатываемой поверхности в ЗТВ; расчет диффузии углерода в аустените. Расчет полноты ярохоищвния эффузии. углерода в аустените позволяет определить глубину упрочненной зоны h3eK. о также прогнозировать структуру стали поело охлаждения. Глубину h38K определяли как расстояние от обрабатываемой поеэрхяости, на котором за время длительности термоцикла происходит превращение перлита в аустенит и гомогенизация аустенита. В расчетах полагали гомогенизация аус-теиитп полное ью завершившейся, когда максимальная разность значений концентрации углерода в расчетной области но превышает 0.01.

Проверку адекватности представленной расчетной методам прог-ноэиринлння структуры провели, используя исследования на установив "can>sc«r обрезай из стали 20 поело прокатки, обработанного на л.!йкф-} ¿'.С- ий-0. Для <-;р«внешш расчетного и экспериментального ре-'.тьтнгл нртцввем» перераспределения углерода в аустелите при лчо рнбрзд участок • макроструктуры на расстоянии -г^О.Ов мм от об-¡'""'ятч;£■■•')-iK'й ц.''Г."рхпоети. ¡Ьлучено хорошее качевтвэшюе соипаде

нив экспериментальной и расчетной кривых распределения концентрации углерода после окончания тергоцикла. Экспериментальное определение количества углерода невозможно вследствие больших помех вносимых атмосферным углеродом.

В качестве объекта исследования полноты прохождения процесса аустенитизации на различных расстояниях от обрабатываемой поверхности использовали образец из стали 45 после нормализации, обработанный на лазерной установке МТЛ-2 с равномерным в форме "полочки" распределением плотности мощности по пятну. Получено хорошее качественное совпадение всех экспериментальных и расчетных кривых распределения углерода по исследуемому участку. Прогнозирование структуры по предложенной расчетной методике дает хорошее соответствие структуре, полученной экспериментально.

Для проведения расчетных и экспериментальных исследований влияния межпластиночного расстояния и режима обработки на полноту превращения перлита в аустелит использовали специально подготовленные образцы из стали У9, имеющие различные значения А0. Образцы обрабатывали на лазерной установке МТЛ-2 с равномерным в форме "полочки" распределением плотности мощности по пятну. Изменение режима обработки ц .-изводили, варьируя скорость перемещения образца относительно луча. •

Получено, что абсолютная погрешность определения Ьдак примерно одинакова для всех режимов и всех, д . Следовательно, глубину упрочненного слоя можно определять . расчетно: поправка на ошибку легко осуществима. ■'•■".

Построены зависимости глубины упрочненного слоя Нзак от А0 для трех значений V, а также 11ЗЙК от V для трех значений А0. При уменьшении А0 в 2-2.5 раз? йд8К увеличивается на 0.02-0.03 км. Анализ зависимостей Ьзак(у) показал, что при изменении режима обработки с началом' оплавления поверхности на режим без оплавления происходит резкое уменьшение значения на 0.11-0.13 мм. При дальнейшем увеличении скорости обработки на 0.5 м/мич в случае постоянной мощности лазерного излучения Ьэак уменьшается на 0.01-0.02 мм для веек рассмотренных -значений А0.

В вестой глава оьясаны способ упрочнения длинномерных изделий (зэдаогашй авторским свидетельством » 1464480) я способ упрочнения поверхности цилиндрических деталей (защищенный авторским свидетельством # 1617007).

При ЛТО длинномерных изделий, таган кек станочине направлявшие,- 'возникает необходимость коррекции режимов лазерного излуче-

//

ния, поскольку при перемещении лазерного луча вдоль детали его диаметр значительно увеличивается, а это приводит к заметному уменьшению глубины упрочненного слоя и увеличению его ширины. Описанная в главе Б методика позволяет проводит! выбор и корректор режимов без большого объема экспериментальных работ.

Предлагаемый способ упрочнения длинномерных деталей заключается б непрерывном изменении положения фокусирующей лазерный луч линзы относительно поверхности летали. .Относительное изменение, то есть величина перемещения оптики на единицу длины упрочняемой летали, называемое изменением дефокусировки, равно:

2«ап>г«ш

Ah = ____ (25)

где dn - диаметр пятна лазерного, излучения, I - фркусное расстояние линзы, ф - расходимость, D - диаметр апертуры.

Эксперименты по определению влияния степени дефокусировки на глубину и ширину упрочненной зоны в начале и конце детали проводили на лазерной установке SP-973 с равномерным распределением плотности мощности, обрабатывая детали из стали 40Х длиной 200 мм и из чугуна СЧ20 длиной 2000 мм. Показано, что только при точном уменьшении степени дефокусировки на расчетную величину глубина и ширина ЗТВ оказываются равномерными по всей длине детали; при всех других значениях ЛИ упрочненная зона оказывается неравномерной.

Предложенный способ внедрен на Ивановском станкостроительном ПО для упрочнения направляющих обрабатывающих центров. Кроме того данный способ предложен для внедрения на АвтоВАЗе для упрочнения направлявших фрезерных станков.

При лазерном упрс шенш деталей, имеющих форму тел вращения, таких как валки прокатных станов и валы, при повторном нагреве от последующего витка уже упрочненной полосы появляются зоны отпуска, приводящие к снижению твердости. В связи с этим возникла проблема определить интервал температур, который необходимо поддерживать на обрабатываемом участке, чтобы не происходило разупрочнения и при этом была обеспечена как можно большэя глубина упрочненной зоны, одинаковая по всей обрабатываемой поверхности.

Предложенный способ лазерного термоупрочнения поверхности -цилиндрических деталей .включает, во-первых, определение по методике, описанной в главе 5, режима обработки, который обеспечивает разогрев поверхности до температуры кипения металла; во-вторых, дополнительное охлаждение перед лазерным лучом газом или гид-

костью при комнатной температуре. а.такав охлаждение после лазерного луча газом или жидкостью при тешературе Мк обрабатываемся стали. Такое охлаждение■•позволяет достигать больших скоростей нагрева и охлаждения, препятствуя распаду аустеннта на ферритно» карбидную смесь при многоцикловом нагреве, а также обеспечивает наилучшее сочетание значений глубшн упрочненного слоя и микротвердости по сравнению с результата!,® обработки при других спосо бах охлаждения.

Общие выводи:

■ 1.Предложена трехмерная численная.схема расчета температурного поля в STB при лазерной термообработке массивных тел на основе "шахматного"'метода, учитывающая температурные зависимости тепло-физических коэффициентов. Схема монет бить применима для любого материала и для любой формы лазерного луча, движущегося по прямой и по спирали. Для сокращения машинного времени и-объема оперативной памяти но осям, перпендикулярным движению луча, введены логарифмические координаты. Представленная схема расчета позволяет с точностью «10Ж определять температурные поля, возникающие, в твердом теле под воздействием лазерного излучения.

2.Разработан пакет программ, ■ ключающий: 1) расчет температурного поля в STB;

• 2) оценку для рассчитанного температурного поля глубины, и ширины слоя, нагретого выше" температуры начала фазового a-7-преврэщения, а также времени пребывания выше этой температур;; расчетных слоев на различном расстоянии от поверхности;

3) оценку по. полученной глубине ЗТВ для нескольких режимо». ЛТО яри фиксированных-значениях мощности лазера а диаметра лучг интервала скоростей -перемещения детали относительно луча для об-работсга без оплавления поверхности детали.

3.На основе расчетов по разработанному пакету программ постро-. ена диаграммы для выбора мощности' (рли рабочей плотности мощности) лазера и интервала скоростей перемещения детали относительно луча при дацном диаметре луча на поверхности детали и содержании углерода в стали (для покрытия с коэффициентом поглоарния А-0.7), позволящие определить рациональные реками обработки детали беа оплавле!ШЯ поверхности. Погрешность определения глуошш упрочнзи-яого слоя по диаграмме д..я выбранного режима составляет «20*.

4.Разработана программа численного р,'¡счета процесса яустенит

raro слоя но диаграмме да.л выбранного режима составляет «20%.

4.Разработана программа численного расчета процесса аустенит-iioro превращения да- и заэвтектошшой углеродистой стали на осно-EÍ-; диффузионной модели перераспределения углерода соответственно между перлитом и ферритом или перлитом и цементитом, в таете мэк-ду цзментитныш и ферритвыми пластинами внутри перлитного зерна. Схема расчета для решения одномерной задачи Стефана базируется на шсономичной разностной схеме с ловлей фронта в узел расчетной сотки и учитывает зависимость коэффициента диффузии от температуря и концентрации углерода.Разработанная программа позволяет получать полезную информацию о распределении концентрации углерода, явитении фазовых границ и полноте прохождения аустенитного превращения на различных его стадиях. Полученные расчетные данные позволяют проследить кинетику аустенитизации стали под воздействием лазерного излучения и прогнозировать ожидаемую после охлак-пения структуру. Достигнута хорошая корреляция с•экспериментально измеренным распределением углерода между исходными фазами.

5.Выявлены особенности влияния исходной структуры на протекание процесса аустенитизации углеродистых сталей в ЗТВ. На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований структурных превращений в углеродистых сталях с различным содержанием углерода, при различном исходном состоянии (после прокатки, отожженном и нормализованном) сделано заключение, что при лазерной термообработке для обеспечения достаточной полноты протекания процессов фазового о. ^-превращения и последующей гомогенизации на большую глубину ЗТВ необходимо выбирать углеродистые стали в нормализованном состоянии, с малыми размерам! перлитных колоний, с небольшим кешластиночшм расстоянием в перлите.

6.Разработана расчетная методика прогнозирования структурных превращений в ЗТВ при лазерной закалке, которая включает предварительный выб-р режима лазерной обработки на заданную глубину по построению* с помощью ЭВМ диаграммам; расчет точного . температур-лого цикла для данного регимз закалки; расчет диффузионного перераспределения углерода в аустените в границах бывшего зерна перлита и мекпу исходники фазами; определение равномерности распре-«•гзшкя углерода в ЗТВ на различных расстояниях от поверхности, что лает возможность-определять глубину упрочненного слоя и с горопей точность» прогнозировать структуру после закалки. Без рйгдатв полностью подтверждена экспериментальными данными.

7,lio ир»ллокз!шой методика исследовано влияние межплветтоючно-

'О расстояния и режима обработки ни шшю?у ирёвр&тсшш ивряитм ь 1УСТ6НИТ. Получено, что при уменчмении Л в 2-2.5 раза глубина 'прочненного слоя, то есть такого расстояния, на котором пил-юстью завершилось превращение перлита в аустенит и последующа* чшогенизация аустенита, увеличивается на 0.02-0.03 мм при всех фоанализированннх скоростях обработки. При изменении режима об-)аботю1 с началом оплавления поверхности на рзвсм без оидавдеиий гроисходит резкое уменьшение глубины упрочненного слон на ). 11 -0.13 мм. При последующем увеличении скорости мэрабо-пси на ).5 м/мии в случае постоянной мощности лазерного излучения глуоп га упрочнешого слоя уменьшается на 0.0)-0.02 мм для всех рас :мотренных значении А . .

8.Разработан способ термообработки крутюгебаритних чвт&яей тзерннм лучом непрерывного действия (а.с.й 1464480), смнэвйшай га постоянном уменьшении степени дефокусировки излучений в провесе перемещения оптической система от лазера. .Улучшение качест-за упрочнения при такой обработка достигается за счет увеличено*] эаспомерности геометрических размеров упрочившая зоь по- данпэ !,етали.

В течение 15*35 - 1990 гг. проведены разработка и. ш&дрйлие гехгологии лазерного термсупрочпзнил наиравляэдих оор&оэ-шваадих центров серии ИС500, ИС800, цргоо, ир800 "н Ивашвснси стьшо-5троительном ПО (совместно сотрумикамк НИЦ ТЛ при участии автора 1 сотрудниками Ивановского станкостроительного НО).

Экономический эффект от аредаюкэнного способа составил 60 тис. зуб. в год.

9.Разработан способ термообработки деталей типа тел вращения (а.с.й 1617007) с помощью непрерывного лазера. Этот сносов вклю-юет осевое смещение детали относительно луча, вращение детали с зысокой скоростью и одновременное охлаждение участков поверхности •детали перед пятном лазерного нагрева п после него, позволяющее тоддерживать температуру на поверхности одного витка ц иигарьшю зт тешературн кииения металла до температура начала мнртенсптно-

превращения. улучшение качества упрочнения детали при такой обработке достигается путем ягшаегая глубины упрочнения и твердости.

Публикации по теые диссертации.

I .Расчет кинетика аустепигзации сталей при лваеркси нагре

вэ /А.Н.Сафонов, Е.А.Щвибакова, М.Н.Ивляев'а и др.// Инженерно -физический куриал - 1989. - Т.57, JS 6,- С.959-964.

г.Щербакова Е.А., Сафонов А.Н. Кинетика аустенитного превращения в углеродистых сталях при лазерном нагреве // Новые стали и . сплавы, режимы их термической обработки: Тезисы докл. научно-технического краткосрочного семинара (к 150-летию со дня pos-дэния Д.К.Чернова) -Л., 1989.

З.Сафонов А.Н., Щербакова Е.А. Исследование особенностей кинетики аустенизации углеродистых сталей при лазерном нагреве // Применение лазеров в науке и технике: Тезисы докл. областного научно-технического семинара.-Тольятти, ВАЗ, 1989. -С.23.

4-Сафонов А.Н., Щербакова Е.А. Математическая модель лазекной закалки сталей // Новые разработки и опыт внедрения лазерной техники и технологии: Тезисы "докл. семинара, ,12-13 сентября 1990 г., г.У»сгород.-Киев, 1990.-С.13-15. *' '

5-Щербакова Е.А., Сафонов А.Н. Расчет температурных'полей при лазерной термообработке сталей // Новые материалы* и ресурсосберегающие технологии термической и хишко-термичэской обработки деталей машин и инструмента: Тезисы, докл.-Пенза, 1990.-С.69-70.

6-Shcherbakova Je.A., Safonov A.N. A kinetic model or the auate-nlte transformation ol plalne-carbon steels under laser heating. //IV national conference and technical exhibition with international participation. Laser and their applications: Abstracts, oct. J3-26., 1990.- Plovdiv (Bulgaria), 1990.-P.164-165.

Т.Васильева А.Г., Сафонов А.Н., Щербакова Е.А. Кинетика аустенитного превращения углеродистых сталей при лазерном нагреве // Перспективные материалы и технологии в автомобилестроении: Меквузовский сборник научных трудов.-М: Московский автомобилестроительный институт (ВГУЗ-ЗЮ1), 1991 .-С.58-66.

8.Особенности формирования структуры излучения при: фокусировке ■ излучения многоканального лазера / С.Ю.Денисов, Е.В.Зелвнов, Е.А.Щербакова и др.//Кван. электр.- 1991.- Т.18, J6 5.-С.648-650.

9.А.с. 1464480 СССР, ЩИ С 21 D 1/09. Способ упрочнения металлических изделий / Г.А.Абшшсшггов, А.Н.Сафонов, Е.А. Щербакова,

и др.- » 4273161/31-02; Заяв.15.06.87; Опубл. 12.01.89 // Открытия, изобретения...- 1989.- M 9.

10.А.с. 1617007 СССР, щи С 21 D 1/09. Способ термической обработки деталей / 'А.Г.Васильева,- А.Н.Сафонов, В.М.Тара-сэнко, Е.А.Щербакова - & 4659655/31-02; Заяв. 24.01.89; Опубл.30.12.90 // Открытия, .изобретения...- 1990.- й 48.