Использование лазерных технологий для упрочнения и восстановления изделий из сталей и сплавов

Abstract

В настоящей работе рассмотрены: методы упрочнения рабочей поверхности гильз цилиндров ДВС, их преимущества и недостатки; материалы из которых изготавливают цилиндры двигателей мировые производители, недостатки технологии производства цилиндров из серого чугуна. Исследовано влияние режимов лазерной обработки на структуру и фазовый состав, а также физико-механические свойства внутренней поверхности гильз цилиндров двигателя КАМАЗ. Испытаниями на износостойкость (время испытания составило  100ч) темплетов, вырезанных из гильз цилиндров после лазерного термоупрочнения, установлено, что износостойкость их увеличивается в 2,2-4,5раза по сравнению с серийным вариантом упрочнения (закалка токами высокой частоты) при этом наиболее высокие результаты по износостойкости получены при упрочнении 70-80% рабочей поверхности гильзы без оплавления либо с локальным оплавлением поверхности. Лазерную термическую обработку (ЛТО) рабочей (внутренней) поверхности гильзы осуществляли по однозаходной спирали, получаемой за счет одновременного вращения и продольного перемещения лазерного луча вдоль гильзы, обработку цилиндров производили с использованием СО2-установки непрерывного действия «Комета-2» в интервале мощности 0,8 – 1,2кВт, радиус пятна лазерного излучения составлял 2-4мм. Предложен метод деазотирования (разложения) поверхностного слоя в деталях путем обработки лазерным лучом, который позволяет сократить объем механической обработки, а также наносить покрытие при дальнейшем восстановлении, не нарушая прямолинейности длинномерной детали. Выполнено математическое обоснование режимов ЛТО деталей машин и оборудования для разложения слоя после химико-термического упрочнения. На основании проведенных математических расчетов, лабораторных и экспериментальных исследований определены оптимальные параметры лазерной обработки внутренней рабочей поверхности гильзы цилиндров, как для их упрочнения, так и для проведения процесса диссоциации нитридов в деталях подлежащих восстановлению, предварительно подвергнутых азотированию.

У даній роботі розглянуті: методи зміцнення робочої поверхні гільз циліндрів ДВС, їх переваги та недоліки; матеріали з яких виготовляють циліндри двигунів світові виробники, недоліки технології виробництва циліндрів з сірого чавуну. Досліджено вплив режимів лазерної обробки на структуру і фазовий склад, а також фізико- механічні властивості внутрішньої поверхні гільз циліндрів двигуна КАМАЗ. Випробуваннями на зносостійкість (час випробування дорівнював приблизно 100годинам) зразків, вирізаних з гільз циліндрів після лазерного термозміцнення, показано, що зносостійкість їх збільшується в 2,2-4,5рази в порівнянні з серійним варіантом зміцнення (гарт струмами високої частоти) при цьому найбільш високі результати по зносостійкості отримані при зміцненні 70-80% робочої поверхні гільзи без оплавлення або з локальним опалювальному поверхні. ЛТО робочої (внутрішньої) поверхні гільзи здійснювали по однозаходній спіралі, одержуваної за рахунок одночасного обертання і поздовжнього переміщення лазерного променя вздовж гільзи, обробку циліндрів виробляли з використанням СО2-установки безперервної дії «Комета-2» в інтервалі потужності 0,8 - 1,2кВт, радіус плями лазерного випромінювання 2-4мм. Запропоновано метод деазотування (розкладання) поверхневого шару в деталях шляхом обробки лазерним променем, який дозволяє скоротити обсяг механічної обробки, а також наносити покриття при подальшому відновленні, не порушуючи прямолінійності довгомірної деталі. Виконано математичне обґрунтування режимів ЛТО деталей машин і устаткування для розкладання шару після хіміко-термічного зміцнення. На підставі проведених математичних розрахунків, лабораторних та експериментальних досліджень визначені оптимальні параметри лазерної обробки внутрішньої робочої поверхні гільзи циліндрів, як для їх зміцнення, так і для проведення процесу дисоціації нітридів в деталях, які підлягають відновленню, та попередньо підданих азотуванню.

In this paper, we consider: methods for hardening the working surface of cylinder sleeves of an internal combustion engine, their advantages and disadvantages; materials from which engine cylinders are manufactured by world manufacturers, demerit in the production technology of gray cast iron cylinders. Currently, in order to increase the wear resistance of friction surfaces in modern engineering, laser heat treatment is becoming widespread. This is due to certain advantages of this method of heating compared to traditional energy sources used in the restoration and hardening of parts. These include, first of all, the possibility of a high concentration of energy per unit area (with a certain combination of LHT radiation power and laser beam speed), and the corresponding possibility of heating and cooling at ultrahigh speeds in a practically unlimited temperature range. The influence of laser processing modes on the structure and phase composition, as well as the physicomechanical properties of the inner surface of cylinder liners of a KAMAZ engine, was investigated. Tests for wear resistance (test time was 100hours) of templates cut out of cylinder liners after laser thermal strengthening, it was shown that their wear resistance increases 2.2-4.5 times as compared with the standard version of hardening (high-frequency quenching) the highest wear-resistance results were obtained with hardening of 70-80% of the working surface of the liner without melting or with local melting of the surface. The LHT of the working (inner) surface of the liner was carried out using a single-turn helix obtained by simultaneously rotating and longitudinally moving the laser beam along the liner, and the cylinders were processed using a «Comet-2» continuous-wave CO2 installing in the 0.8 - 1.2 power interval kW, the radius of the laser spot 2-4mm. To obtain different power densities of laser radiation and, as a consequence, different depths of thermal influence, the linear processing speed was changed at a constant power level and the size of the radiation spot. Various hardening schemes for the inner working surface of the liner were implemented by changing the speed of the longitudinal movement of the beam in the LHT process. A method is proposed for the diazotisation (decomposition) of the surface layer in parts by laser beam treatment, which reduces the amount of mechanical processing and also causes the coating to be applied with further restoration without disturbing the straightness of a long piece. A mathematical substantiation of LHT modes of machine parts and equipment for layer decomposition after chemical-thermal hardening has been performed. Based on the mathematical calculations, laboratory and experimental studies, the optimal parameters of laser treatment of the inner working surface of the cylinder liner were determined, both for their hardening and for the process of dissociation of nitrides in the parts to be restored to previously subjected to nitration.