Лазерное упрочнение рабочих поверхностей деталей.

Поверхностное упрочнение лучом лазера характеризуется рядом особенно­стей, позволяющих обеспечить:

1) упрочнение локальных (по глубине и площади) объемов материала обрабатываемых деталей в местах их изнашивания (твердость упрочняемых участков может превышать на 15-20% и более твер­дость, достигаемую после термической обработки существующими способами);

2) локальное упрочнение поверхностей труднодоступных углублений или полос­тей, в которые луч лазера может быть введен с помощью несложных оптических устройств;

3) "пятнистое" поверхностное упрочнение значительных площадей де­талей;

4) заданную микрошероховатость упрочненных поверхностей;

5) определен­ные физико-механические, химические и другие свойства поверхностей обраба­тываемых деталей легированием их различными элементами с помощью лазер­ного излучения;

6) отсутствие деформаций обрабатываемых деталей благодаря локальности термической обработки, что позволяет полностью исключить необ­ходимость дополнительного финишного шлифования;

7) простоту автоматизации процесса обработки лучом лазера по контуру, в том числе деталей сложной фор­мы, так как лазерный нагрев осуществляется бесконтактно.

Лазерную обработку применяют для повышения стойкости деталей штам­пов, пресс-форм, режущего инструмента и деталей, имеющих рабочие поверхно­сти, доступные для обработки лучом лазера, в том числе с использованием опти­ческих и управляющих систем. Поверхностной лазерной обработке подвергают инструмент, прошедший термическую обработку, окончательное шлифование и заточку.

Лазерному упрочнению подвергают стали: углеродистые, низкоуглероди­стые, легированные (У8А, У10А, 45, ХВГ, 9ХС и др.), высоколегированные (XI2, Х12М, Х12Ф, ХВГ, ХШ15, X, 5ХВ2С), низкоуглеродистые цементованные (20, 12ХНЗА), хромистые коррозионно-стойкие (4X13), быстрорежущие (Р18, Р12, Р5, Р6М5, Р9).

При лазерном упрочнении используются импульсы с высокой интенсивностью - до 10*10 Вт/см², это позволяет создать мощную ударную волну, направленную на упрочняемый материал. В деталях этот процесс выглядит следующим образом: на упрочняемую поверхность перед обработкой наносят два слоя, один из которых поглощает лазерное излучение – это нижний слой прилегающий к металлу, а второй слой прозрачный, он находится на поверхности. В качестве поглощающего слоя используют специальную краску, а качестве прозрачно слоя сверху, обычно используют воду. Направленный на эти слои луч лазера беспрепятственно проходит через воду и начинает интенсивно испарять второй, нижний слой краски. Однако в это время слой воды начинает препятствовать резкому образования газа от испаряющегося нижнего слоя. Соответственно, энергия от образующегося газа взаимодействует в сторону, обратную от слоя воды, т.е. в сторону металла, упрочняя его таким образом. Т.к. весь вышеописанный процесс проходит крайне быстро, то упрочняющий эффект весьма ощутим, а глубина упрочнения, может достигать 1 мм (при упрочнении металлическими шариками предельной считалась глубина в 0,4 мм).

Лазерное упрочнение поверхностей позволяет выборочно изменять свойства различных участков деталей машин и инструментов, в результа­те чего можно получать более прочные износо- и коррозионностойкие поверхности. Оно имеет ряд особенностей, выгодно отличающихся от других методов и способов упрочнения: локальность процесса упрочне­ния, возможность обработки труднодоступных мест, получения заданной шероховатости поверхности, возможность получения на поверхности де­тали слоя с заданными свойствами; возможность автоматизации процесса и др.

При воздействии лазерного луча на металлическую поверхность она быстро нагревается до высокой температуры и при прекращении облучения сразу же охлаждается. Получается своеобразная закалка поверхности. Такую закалку лазерным лучом можно использовать для обработки сталь­ных и чугунных деталей с целью повышения их износостойкости. Кроме того, этим способом можно не только упрочнять поверхност­ный слой обрабатываемых деталей. Использование лазерных установок модели «Квант-16» для упрочнения отсечных кромок плунжеров топлив­ных насосов, обкатных роликов и кулачков распределительных валов дви­гателей внутреннего сгорания позволяет значительно увеличить износо­стойкость и продлить их долговечность. Лазерному упрочнению подвергаются многие детали, испытывающие значительные контактные нагрузки. После такого упрочнения значитель­но повышаются контактная износостойкость и прочность кромок клапан­ных тарелок, рабочих поверхностей напорных золотников топливной ап­паратуры, головки штоков и седел выхлопных клапанов, рабочих поверх­ностей измерительного инструмента и др. Обработка рабочей поверхно­сти золотника конусного уплотнения трубопроводной арматуры высокого давления на лазерной установке СЛС 10-1 позволила получить упрочнен­ные зоны по контактной окружности золотника. Упрочненная зона пред­ставляет собой совокупность пятен фокусирования лазерного луча с ша­гом 0,75 и шириной 0,6 мм. Такое упрочнение приводит к росту стойкости клапанного соединения более чем в 3 раза. Большой эффект от использования этого способа достигается при уп­рочнении пуансонов и матриц штампов, стойкость которых зависит от твердости и состояния поверхности их рабочих элементов. Лазерное уп­рочнение этих элементов осуществляется после их окончательной меха­нической обработки, причем плотность мощности лазерного излучения не должна превышать критического значения, когда наблюдается оплавление поверхностного слоя обрабатываемого материала. Лазерное упрочнение с высокой эффективностью используется для обработки шеек и галтелей коленчатых валов, боковых сторон кольцевых выточек поршней двигателей внутреннего сгорания, зубьев и торцевых поверхностей косозубых зубчатых колес и др. Лазерное упрочнение по­зволяет получить стабильно однородный упрочненный слой, что практи­чески недостижимо при других методах обработки. При этом глубинаупрочнения зависящая от материала и режимов обработки, достигает (1...2) мм. Лазерному упрочнению можно подвергать, чугунные направ­ляющие станин станков. Такое упрочнение позволяет довести их твердость до HRO 60. В ряде случаев при лазерном упрочнении деталей на их поверхность наносят легирующие элементы. При этом необходимо, чтобы температура на поверхности немного превышала температуру плавления легирующего элемента. В процессе оплавления металла происходит его интенсивное перемешивание с легирующими элементами, размещенными на обраба­тываемой поверхности. Глубина легирования определяется мощностью луча, его диаметром и скоростью сканирования. При легировании, напри­мер, углеродистой стали кобальтом глубина слоя достигает 1,2 мм, при этом износостойкость деталей увеличивается в (3...4) раза. Для повышения эффективности лазерной обработки применяется чер­нение обрабатываемых поверхностей, например, химическое травление для увеличения поглощательной способности металла, что позволяет про­водить процесс при меньшей энергии излучения. Снижение энергии ла­зерных импульсов увеличивает частоту их следования, а значит и произ­водительность обработки. Для повышения стабильности параметров уп­рочнения, снижения вероятности обезуглероживания поверхностного слоя и улучшения внешнего вида деталей лазерную обработку рекоменду­ется вести в среде аргона. Перспективным является сочетание лазерной обработки с ППД. При этом повышаются физико-механические параметры и улучшается микро­рельеф поверхности.