Лазерная обработка. 3

    СОДЕРЖАНИЕ

Введение……………………………………………………………………………3

1. Требования к материалу для гильз цилиндров……………………………..4

2. Методы упрочнения рабочей поверхности гильз цилиндров двигателей…..6

3. Термическая обработка материалов лазерным излучением…………………10

3.1. Физические  основы лазерного упрочнения………………………………...10

3.2.  Структура  и свойства чугуна после лазерного  упрочнения………………11

4. Выбор оптимального режима лазерного упрочнения для гильз цилиндров..15

Список использованной литературы…………………………………………......17 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    ВВЕДЕНИЕ

    Любая машина имеет большое количество узлов трения. Около 80% мощности машин  расходуется на преодоление работы сил трения. Износ деталей является следствием работы сил трения, возникающих  при взаимном перемещении трущихся поверхностей. Скорость изнашивания  деталей машин зависит от точности и качества их изготовления, качества сборке и наладки оборудования, а  также от технологии изготовления, материала и упрочнения деталей.

    Методы упрочнения рабочей поверхности гильз цилиндров как широко распространённые, так и альтернативные, должны в результате воздействия на неё устранять недостатки, вызванные литейным процессом и, в зависимости от назначения и химического состава, придавать детали качества, необходимые для обеспечения ресурса работы двигателя. Однако, наработки двигателей до отправки в капитальный ремонт, в том числе с указанными методами упрочнения, в реальных условиях эксплуатации существенно ниже нормативных. Таким образом, поиск новых способов и методов упрочнения рабочей поверхности гильзы цилиндров для нынешнего состояния автомобильного двигателестроения является объективной необходимостью. Одним из перспективных направлений в этой области является лазерная обработка. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    1. ТРЕБОВАНИЯ К МАТЕРИАЛУ ДЛЯ ГИЛЬЗ ЦИЛИНДРОВ

    Материалом  для гильз в большинстве случаев  служит кислотоупорный высоколегированный чугун с аустенитной структурой (СЧ28-48 и СЧ35-36). Чугун как конструкционный материал в автомобилестроении имеет широкое применение [1]: на долю чугунных деталей в современном автомобиле приходится 8,2 %, что находится на уровне с количеством резинотехнических изделий  (8,25 %) и в процентном отношении уступает лишь стальным деталям (30,9 %) и листовому металлу (29,3%). Это делает объективными задачи по повышению долговечности чугунных деталей, в том числе и гильз цилиндров двигателей.

    Многообразие  факторов, действующих на изнашивание  деталей ЦПГ, и гильз цилиндров  в частности, можно условно разделить на металлургические, конструкционные, технологические и эксплуатационные  . Ведущими из них необходимо признать металлургические и технологические по той причине, что физическая природа сплавов, их свойства и структура ответственны за величину и темп износа пары трения при всех остальных изменяющихся параметрах.

    Из  множества требований, предъявляемых  к чугунам, применяющимся для  деталей, работающих в условиях трения при повышенных температурах, можно выделить следующие [2]: высокое сопротивление металлической основы пластическим деформациям, оптимальное распределение, форма и количество включений графита, способность сохранять прочность и твёрдость при рабочих температурах, достаточно высокая коррозионная и эрозионная стойкость, хорошее сопротивление схватыванию и способность к самозалечиванию различных дефектов, образовавшихся на поверхности трения. Всё это определяет способность чугунных деталей сопротивляться изнашиванию. Материал гильз цилиндров должен иметь достаточно высокую теплопроводность, обеспечивающую возможность создания оптимального теплового режима работающих в паре с ним деталей. Рабочая поверхность гильзы должна иметь высокие трибологические качества, стабильную шероховатость, высокую стабильность формы и стойкость к вибрациям под воздействием нагрузок, возникающих при работе двигателя. Наряду с высокой износостойкостью чугун, как конструкционный материал, должен обладать хорошей обрабатываемостью резанием, технологичностью и иметь невысокую стоимость.

    В практике автомобильного двигателестроения  выполнение этих, иногда противоречивых требований, достигается за счёт выбора материала, подбора оптимального соотношения  легирующих компонентов, варьирования параметров технологических режимов  отливки заготовок, вариантов окончательной  обработки гильз цилиндров и  упрочнения их рабочей поверхности [5]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    2. МЕТОДЫ УПРОЧНЕНИЯ РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ГИЛЬЗ ЦИЛИНДРОВ ДВИГАТЕЛЕЙ

    С целью повышения износостойкости  рабочей поверхности гильз в  современном автомобильном двигателестроении  для большинства гильз цилиндров  двигателей, в том числе и зарубежных [1] применяется различные методы упрочнения. Наиболее распространенными методами упрочнения на сегодняшний момент являются: химико-термической метод упрочнения (ХТО) – азотирование, сульфидирование, фосфатирование и др., поверхностное пластическое деформирование (ППД), закалка токами высокой частоты (ТВЧ).

    Провести  сравнительный анализ методов упрочнения можно лишь условно, поскольку результаты исследований не всегда подтверждаются однотипными данными результатов (часов работы, километров пробега, износа и т.д.). Кроме того, исследование новых методов упрочнения проводят, как правило, в сравнении с  различными одним-двумя уже известными методами, а показания сравниваемых характеристик приводится на уровне "во столько-то раз… (на…% и т.п.)", что также искажает представление  об общей оценке их эффективности.

    Азотированием достигается значительное повышение (до 40НRС) твёрдости, износо- и коррозионостойкости рабочей поверхности гильз за счёт образования в ней карбонитридной фазы, которая имеет достаточную пластичность и становится рабочим элементом упрочнённого слоя. Однако, упрочнённый азотированием слой плохо прирабатывается и может выкрашиваться в процессе эксплуатации [4], при этом шероховатость поверхности ухудшается до Rа=0,63…2,5 мкм [3]. Поэтому упрочнение азотированием не рекомендуется для двигателей автомобилей, работающих в запылённых карьерах.

    При сульфидировании [1] на рабочей поверхности гильзы образуется слой сернистого железа, который хорошо прирабатывается, повышает маслоёмкость рабочей поверхности, предотвращает схватывание с поршневыми кольцами, обеспечивает стабильно низкий коэффициент трения, увеличивает сопротивление изнашиванию, имеет надёжное сцепление с основным материалом. Однако увеличена склонность к образованию сернистых соединений и коррозии.

    Аналогичные свойства имеет и фосфатированный слой. Кроме того, он коррозионостоек.

    Главными  недостатками всех видов ХТО являются малая глубина внедрения в  основной материал (0,3-0,35 мм), при этом окончательное периодическое хонингование гильз под ремонтный размер затруднено и ещё несколько её уменьшает; поверхностный слой не может длительное время противостоять высоким  нагрузкам, при которых работает пара гильза - поршневое кольцо [1]; этот метод упрочнения довольно энергоёмок и дорог.

    Поверхностное пластическое деформирование (ППД) –  эффективный способ повышения износостойкости  трущихся поверхностей детали в условиях граничного трения [4], основанный на использовании пластических свойств материала. В результате такой обработки удаляются риски и микротрещины от предыдущей обработки, увеличиваются твёрдость, износо- и коррозионостойкость поверхности и её усталостная прочность. В настоящее время существует значительное количество способов ППД [1]. Об эффективности способов ППД по сравнению с наиболее распространёнными видами чистовой обработки гильз цилиндров можно судить по данным таблицы 1[5].

    Таблица 1.

    Поверхностный слой, раскатанный при оптимальных  режимах, имеет повышенную (на 18-27%) [2] микротвёрдость. Наибольшее её повышение наблюдается у перлитных чугунов, графитовые включения которых имеют меньшую длину, более обособлены и завихрены. Толщина слоя с повышенной микротвёрдостью колеблется в пределах 0,05-0,5 мм: чем больше диаметр деформирующего элемента, тем толще слой с повышенной микротвёрдостью. Кроме того, при раскатывании происходит некоторое измельчение графитовых включений, зёрна перлита после деформации имеют другую ориентировку по сравнению с исходной. Форма зёрен становится сплюснутой в направлении радиальных сил деформации. Вместе с тем, в подавляющем большинстве случаев, как утверждают авторы работ [3] можно подобрать оптимальные параметры деформирующего элемента, обеспечивающие сохранение или даже улучшение исходной макрогеометрии Несомненным положительным моментом следует считать то, что ППД является окончательной операцией и возможно как в промышленном, так и в ремонтном производстве.

    Однако  ППД лишь в незначительной степени исправляет погрешности предшествующей обработки. Поэтому предшествующая обработка заготовок должна быть достаточно точной. Существенную роль в достижении необходимого качества поверхности играет величина силы воздействия на обрабатываемую поверхность, число ходов инструмента, подбор деформирующего элемента [4].

    Существенным  недостатком этого метода является малая толщина антифрикционного слоя (до 5 мкм), что в условиях ведущего абразивного изнашивания будет  недостаточно и, как следствие, может  вызвать другие виды износа, уменьшая ресурс гильзы.

    Закалка гильз, проводимая токами высокой частоты (ТВЧ), позволяет получить рабочую  поверхность, упрочнённую на глубину  до 2,5 мм. Её твёрдость после закалки  ТВЧ достигает 38-48 НRС в зависимости от различных факторов. Удельный износ таких гильз составляет в зависимости от условий эксплуатации автомобиля 0,5-2,0 мкм/1000 км. Достаточная глубина закалённого слоя позволяет производить перешлифовку гильз под ремонтные размеры, что увеличивает ресурс её работы [1].

    Однако  при закалке рабочей поверхности  гильз ТВЧ существует большая  вероятность геометрической деформации, образования трещин на закаливаемой поверхности, получения неоднородной твердости, как по окружности, так  и по высоте, неоднородности структуры (наличие обособленных микроучастков  структурно-свободного феррита в  структуре закалённого слоя и  т.п.), что является причиной повышенного  износа гильз цилиндров [2]. Для предотвращения этих нежелательных дефектов исследователи подбирают оптимальные режимы закалки (время нагрева под закалку, наличие подогрева перед закалкой, интенсивность наружного и (или) внутреннего охлаждения и т.д.) для каждого определённого химического состава чугуна [3].

    Качественно новым методом упрочнения гильз  является лазерная обработка. В течение последних трёх – пяти лет появились мощные газовые лазеры, обеспечивающие в режиме непрерывной генерации мощность порядка нескольких киловатт. Благодаря этому стало возможным осуществлять новую технологическую операцию – термическую обработку металлических поверхностей. Это особенно важно для обработки таких поверхностей, где мощный лазерный луч имеет преимущества или где необходимо получение сложной геометрии упрочненной поверхности, которая создаёт трудности для применения традиционного теплового метода[6]. 
 
 
 
 
 

    3. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ

    3.1. Физические основы лазерного упрочнения

      Физической основой лазерного упрочнения является воздействие лазерного излучения на непрозрачные среды. Воздействие луча лазера на непрозрачные среды можно условно разделить на несколько характерных стадий:

     - поглощение светового потока  и передача его энергии тепловым  колебаниям решётки твёрдого тела;

     - нагревание вещества без его разрушения;

     - развитие испарения вещества  в зоне воздействия луча лазера и разлёт продуктов разрушения;

     - остывание вещества после окончания действия лазерного излучения.

      Одновременно с указанными стадиями  проходят диффузионные и химические  процессы, а так же фазовые  превращения, оказывающие существенное  влияние на характер воздействия  излучения лазера на материалы.

      Количество поглощённой энергии  зависит от оптических и теплофизических  свойств материалов, особенно для  металлов и с увеличением длинны волны излучения уменьшается. Отражательная способность в оптическом диапазоне длин волн составляет для большинства металлов 70 – 95 %, а коэффициент поглощения также достаточно велик и составляет ~ 105-106 см ^-1.

    После перехода энергии излучения лазера в теплоту начинается процесс  нагрева материала. Поглощённая  световая энергия передаётся от зоны воздействия «холодным» слоям с  помощью различных механизмов теплопроводности, из которых для металлов в интервале  температур от сотен до десятков тысяч  градусов основным является электронная  теплопроводность [7].

    Термическое упрочнение гильз лазерным излучением основано на локальном нагреве участка поверхности под воздействием излучения и последующем охлаждении этого поверхностного участка со сверхкритической скоростью в результате теплоотвода теплоты во внутренние слои металла. При этом время нагрева и время охлаждения незначительны, практически отсутствуют выдержка при температуре нагрева. Эти условия обеспечивают высокие скорости нагрева и охлаждения обрабатываемых поверхностных участков. Метод основан на тепловом воздействии светового луча высокой энергии на поверхность обрабатываемой заготовки.

    3.2.  Структура и свойства  чугуна после лазерного упрочнения

    Поскольку допустимый износ у чугуна является малой величиной, то увеличение срока  службы гильзы достигается за счёт создания поверхностного слоя. Одной из важных особенностей поверхностного упрочнения является сохранение качества основной массы металла, которая также разогревается вместе с поверхностным слоем.

    Лазерная закалка поверхности может производиться как по спирали, когда обрабатываемая деталь вращается, а лазерный луч перемещается параллельно ее оси, так и на поверхность детали можно наносить более сложный рельеф (рисунок). Например, в виде сетки. Для этого лазерный луч перемещают сначала так, как в предыдущем случае, а затем - в обратном направлении [9].

    Если  рассмотреть поперечное сечение дорожки упрочненное лазерным излучением, то в нем можно выделить несколько основных зон (рисунок 1): зону оплава (зону закалки из жидкого состояния), зону закалки, зону отпуска и исходную структуру материала. В ряде  частных случаев некоторые из  этих  зон могут отсутствовать (например,  может отсутствовать зона  оплава  при закалке без оплавления  поверхности или  зона  отпуска  при закалке предварительно  отожжённого  металла)  [8].

    Рисунок 1.  Схема поперечного сечения зоны  лазерной  обработки (а)  и  распределения микро твердости  по  глубине зоны  обработки (б):   1  - исходный металл,  2  - зона  отпуска, 3  - зона закалки, 4 - зона закалки из жидкого состояния. 

    Характерный  внешний  вид  упрочненных  дорожек  без  оплавления  и  с  оплавлением  поверхности приведен на рисунке 2.

    Рисунок 2. Структура закаленных зон после лазер ной обработки образцов из серого перлитно го чугуна излучением СО₂- лазера: (а) - закалка без оплавления (х50); (б)  - закалка с оплавлением (х25). 

    Каждая  зона в свою очередь может состоять из нескольких слоёв и иметь по своему сечению различия в микроструктуре, элементном составе, соотношении составляющих её фаз и т.п. При оплавлении чугунов  графит растворяется в расплаве, и после кристаллизации формируется мелкодисперсная структура белого чугуна. Степень растворения графита зависит от его вида (пластинчатый, шаровой) и от длительности термического цикла.

    При  лазерной  закалке  без оплавления  фазовые превращения  в  матрице  чугунов связаны  с  её  структурой и со степенью  насыщенности её углеродом. В наибольшей степени  матрица  насыщается  углеродом вблизи  скоплений графита,  особенно  если они  имеют  развитую  поверхность  и  время нагрева достаточно  продолжительно. Микротвердость в зоне закалки ввиду большой неоднородности  структуры отличается  большим разбросом значений (от 3000 до 9000 МПа), причем в ферритных чугунах микро твердость всегда меньше, чем в перлитных [8].

    На  соотношение аустенитной и мартенситной составляющих в структуре чугуна существенное влияние оказывает длительность воздействия излучения   (от 0,16 до 1,2 с). С увеличением длительности в поверхностном слое появляются отдельные участки остаточного аустенита (рисунок 3) с микротвердостью H₁₀₀=500-560 кгс/мм². 

    Рисунок 3. Структура серого чугуна в зоне лазерного воздействия при длительности 1,2 с.

    Увеличение 500х. 

      В глубинных областях аустенит локализуется вокруг включений фосфидной эвтетики, т.е. в наиболее обогащенных углеродом участках. Наблюдаемое увеличение количества остаточного аустенита с ростом продолжительности лазерной закалке, по-видимому, связано с большим насыщением твердого раствора углеродом.

      Выбор режима  закалки  чугуна  и соответствующего ему структурного  состояния  в зоне лазерного воздействия должен  производиться с учетом  условий эксплуатации  конкретной  детали,  так как аустенит может оказывать различное влияние на износостойкость.  Применительно к трущейся  паре,  например  цилиндр двигателя - компрессионное  кольцо,  остаточный  аустенит  может способствовать  лучшей  приработке пары трения [9]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    4. ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО  РЕЖИМА ЛАЗЕРНОГО  УПРОЧНЕНИЯ ДЛЯ  ГИЛЬЗ ЦИЛИНДРОВ

    Таким образом, для лазерной закалки гильз цилиндров из серого чугуна, можно применить закалку при температуре 780 – 800˚С с последующим охлаждением и лазерный луч диаметром 5 мм. При этом можно использовать непрерывный СО₂ - лазер. Температурную обработку гильзы можно производить в различных средах (вода, воздух, различные газы). Более высокое упрочнение стали имеет место при её обработке в жидких средах и в случае применения специальных поглощающих покрытий, наносимых на поверхность детали в месте ее обработки.  Поверхность должна  быть  закалена на  глубину не  менее 0,13  мм, т.к. такой глубины достаточно для повышения износостойкости, прочности и усталостной сопротивляемости (исходя  из  допустимой  величины  износа  деталей)  полосами  шириной 2,6...3,2  мм  с шагом в 4 мм. Вблизи поверхности желательно иметь структуру отбеленного чугуна с микротвердостью  7·10...10·10³  МПа,  а  на  глубине  в  0,1  мм  -  закалённую  матрицу  с микротвердостью 6·10³...9·10³ МПа. Полный цикл термообработки требует 1 – 2 с.

    Заканчивают процесс лазерной обработки восстановлением. Восстановление включает в себя промывку деталей от грязи и масла; механическую обработку изношенной поверхности  при помощи шлифовальных машин; напыление  порошкового материала; установку  режимов работы и скоростных режимов.

    Обычные методы закалки, такие как поверхностная  закалка часто вызывают искажение  формы металла, что необратимо портит изделие или требует больших затрат на доводку.

      Цементация и азотирование поверхности  занимают много времени, для  них требуется высокая плотность  поддержания газового состава.  При этом нельзя обрабатывать  большие площади. Искажение гильзы также минимальное в сравнении с другими методами.

      По сравнению с другими источниками  тепла геометрия лазерного луча  легко изменяется оптическими системами. Лазерный луч передаётся на расстояние, фокусируется или расширяется специальными линзами. Таким образом, диаметром луча можно управлять дистанционно. Его даже можно разделять одновременно на различные участки детали.

      Закалка не требует специального  охлаждения. Поверхность обработанной гильзы остаётся чистой.

    СПИСОК  ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Лахтин  Ю.М. Металловедение и термическая  обработка металлов. Издание 3-е,  переработанное и дополненное. 

2. Сажин  В.Б. Основы материаловедения. Москва, 2005 г.

3. Гуляев  А.П. Металловедение. Учебник для  вузов. 6-ое изд., перераб. и доп.  Москва: Металлургия, 1986 г.

4. Колмогоров  В.Л. Пластичность и разрушение.

5. Колесник  П.А. Материаловедение на автомобильном транспорте-учебник для студентов вузов. – 4-е изд., перераб. и доп., 1987, Москва.

6. Применение лазеров в машиностроении и приборостроении. К.И. Крылов, В.Г. Прокопенко, А.С. Митрофанов, Ленинград, «Машиностроение», 1978 г. – 7. Лазерная обработка материалов. И.Н. Рокалои, А.А. Ужов, А.Н. Кокора, Москва «Машиностроение», 1975 г.

8. Майоров В.С., Сафинов А.Н., Тарасенко В.М. Исследование структуры и свойств сплавов при лазерной обработке и разработка технологии упрачнения промышленных изделий // Применение лазеров в народном хозяйстве. 1987 г.

9. Панченко  П.Я., Васильцов В.В., Голубев В.С., Грезев А.Н., Корабертов А.А., Дубров В.Д.  Лазерные технологии обработки материалов, создаваемые в ИПЛИТ РАН.

10. Чичинадзе А.В. Основы трибологии. Москва. Машиностроение, 2001 г.