Машиностроение и машиноведение 3 техника, № 2, 2013 и Наука Science & Technique МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ УДК 621.785.048.7 ПОВЕРХНОСТНОЕ УПРОЧНЕНИЕ СЕРОГО ЧУГУНА СОВМЕЩЕННОЙ ЛАЗЕРНОЙ И УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКОЙ Докт. техн. наук, проф. ДЕВОЙНО О. Г.1), канд. техн. наук КУКИН С. Ф.2), докт. техн. наук, проф. СПИРИДОНОВ Н. В.1), канд. техн. наук КОБЯКОВ О. С.1), БУЗУН Е. Л.2) 1)Белорусский национальный технический университет, 2)Минский тракторный завод Серые чугуны широко используются в ма- шиностроении для изготовления корпусных деталей. Выбор марки чугуна зависит от типа детали, ее функционального назначения, кон- тактно-силовых нагрузок в процессе эксплуа- тации, а также характера и типа износа испы- тываемых сопрягаемыми поверхностями дета- лей. В ряде случаев из-за тяжелых локальных нагрузок и значительного износа (абразивный, адгезионный, усталостный и другие виды изно- са) возникает необходимость в поверхностном упрочнении проблемных зон. С позиций эко- номичности, эффективности и качества в настоящее время наиболее предпочтительным методом поверхностного упрочнения является лазерное термоупрочнение [1]. Лазерная обработка с оплавлением поверх- ности в ряде случаев диктуется необходимо- стью получения ледебуритных упрочненных слоев, обладающих утонченной структурой с метастабильными фазами, а также для устране- ния поверхностных дефектов, измельчения и перераспределения различных включений, при- сущих данному типу чугунов [1]. Однако ла- зерная обработка с проплавлением поверхности на определенную глубину требует лазерных установок большой удельной мощности и более длительного времени воздействия на обрабаты- ваемую поверхность, необходимого для пол- ного растворения графита в расплаве [2]. При этом значительно ухудшается исходная шеро- ховатость обрабатываемой поверхности. Лазерная закалка чугуна из твердого состо- яния в большей мере лишена недостатков, при- сущих лазерной закалке чугуна из жидкого со- стояния. Однако данный процесс упрочнения необходимо осуществлять в узком температур- ном диапазоне между температурой закалки 900 °С и температурой плавления 1140 °С. Кроме того, при лазерной обработке чугуна в режиме, когда температура на поверхности ни- же 1140 °С, происходят микрооплавление вер- шин неровностей поверхности и изменение ее исходного микрорельефа [3]. Известно, что температура начала α–γ-пре- вращения в сталях (Ас1) снижается после их пластического деформирования [4, 5]. Эффект объясняется возможной релаксацией части энергии наклепа в процессе фазового превра- щения, вследствие чего равенство термодина- мических потенциалов фаз, определяющее тем- пературу фазового равновесия, достигается при меньших температурах. В [6] на основе кон- цепции о предельном состоянии вещества в точке фазового перехода и использовании ди- латации решетки в качестве меры запасенной материалом энергии получено выражение для энергии наклепа U/ T, релаксация которой приводит к снижению температуры Ас1 на один градус, и само смещение температуры фазового равновесия T за счет пластической деформа- ции равно T = a2/aα + aγ, где – плотность дислокаций; a – параметр решетки; aα и aγ – коэффициенты линейного термического расширения α- и γ-фазы соответ- ственно. Машиностроение и машиноведение 4 Наука техника, № 2, 2013 и Science & Technique Согласно данному выражению для харак- терных значений предельной плотности дис- локаций при пластической деформации = = (2…4) 1013 см–2 максимально возможная ве- личина смещения температуры Ас1 не превыша- ет 50–100 °С. Таким образом, предварительное пластическое деформирование поверхности по- зволяет в пределе расширить область α–γ-пре- вращения в стали на 100 °С. Среди методов пластического деформиро- вания можно отметить следующие: обкатку шариками или роликами, дробеструйную обра- ботку, обработку ультразвуковым инструмен- том. Последний метод является наиболее эф- фективным в силу своей многоцикличности и легкости встраивания в технологические про- цессы обработки поверхности высококонцен- трированными потоками энергии. Многократ- ность деформирования при ультразвуковой об- работке значительно уменьшает исходную шероховатость поверхности и ведет к возраста- нию максимальной глубины деформированного слоя. Вследствие изменения шероховатости и структуры поверхности ультразвуковая обра- ботка в зоне лазерного воздействия должна по- влиять на изменение поглощательной способ- ности поверхности и теплофизических характе- ристик материала. Это наряду с изменением кинетики протекания фазовых превращений и диффузии находит свое проявление в измене- нии геометрических размеров и микродюри- метрических характеристик зон лазерного воз- действия [7]. В этой связи значительный интерес пред- ставляет использование предварительного уль- тразвукового поверхностно-пластического де- формирования (УЗППД) поверхностей деталей из чугуна СЧ20 при последующем лазерном термоупрочнении без оплавления поверхности с целью не только улучшения параметров ше- роховатости поверхности и микродюриметри- ческих характеристик зон лазерного воздей- ствия, но и формирования данным методом большей глубины слоя, полученной закалкой из твердого состояния [8, 9]. Методика исследования. Исследования проводили на цилиндрических образцах из се- рого чугуна СЧ20. Предварительно часть заго- товки была обработана методом УЗППД. Затем осуществили термоупрочнение поверхности заготовки лазером так, чтобы термоупрочнен- ный участок поверхности пересекал участок, обработанный методом УЗППД. Режим лазер- ного термоупрочнения предварительно рассчи- тывался, а затем экспериментально подбирался таким образом, чтобы температура на поверх- ности в процессе лазерного термоупрочнения находилась в диапазоне (900–950) °С. При та- ком режиме обработки на практике невозможно получить термоупрочненный слой, так как тем- пература α–γ-превращения для СЧ20 составляет 900 °С. Исходя из того, что предваритель- ное УЗППД поверхности расширяет область α–γ-превращения в железоуглеродистых спла- вах на 100 °С [7], при таком режиме лазерного термоупрочнения в зоне предварительного УЗППД должен сформироваться термоупроч- ненный слой, так как температура α–γ-пре- вращения для СЧ20 должна составить 800 °С. Ультразвуковое поверхностно-пластическое деформирование образцов проводили на специ- альной установке. Деформирующий элемент, изготовленный из сплава ВК-6М и имеющий форму ролика диаметром 6 мм, длиной 12 мм, жестко впаян в торец концентратора ультразву- ковой колебательной системы на базе магнито- стрикционного преобразователя ПМС-15А-18. Сам преобразователь помещен в специальный корпус с возможностью его поворота относи- тельно своей оси на угол в диапазоне 50° и прижима деформирующего элемента к обраба- тываемой поверхности под фиксированной ста- тической нагрузкой 20 кгс. Питание магнито- стрикционного преобразователя осуществляли от ультразвукового генератора УЗГ-3-4. Корпус преобразователя ПМС-15А-18 закрепляли в резцедержателе токарно-винторезного станка, а обрабатываемый образец – в патроне, кото- рому придавали вращение, а деформирующему элементу – соответствующую подачу. Ампли- туду ультразвуковых колебаний рабочей по- верхности деформирующего элемента при уль- тразвуковой обработке устанавливали в диапа- зоне 20–25 мкм при частоте 18 кГц и измеряли бесконтактным виброметром типа УВМ-4М. Лазерное термоупрочнение осуществляли с использованием иттербиевого волоконного ла- зера ЛС-2 номинальной мощностью излучения 2,00 кВт и длиной волны излучения 1,07 мкм. Машиностроение и машиноведение 5 техника, № 2, 2013 и Наука Science & Technique Предварительно методом конечных элементов с использованием программного комплекса ANSYS 11.0 рассчитывали температурное поле, наводимое движущимся пятном лазерного луча диаметром 3 мм с плотностью мощности 6 107 Вт/м2 в образце из СЧ20. Скорость пере- мещения пятна (50 10–3 м/с) выбирали из условия получения максимальной температуры на поверхности, но не выше 950 °С. Структуру и размеры термоупрочненного слоя, получен- ного после лазерной обработки при вышеука- занных режимах, исследовали с помощью ме- таллографического комплекса Olympus GX51. Микрорельеф поверхности после ультразву- ковой обработки оценивали по профилограм- мам, полученным на профилометре-профило- графе модели 130. Обсуждение результатов. Температурное поле в поперечном сечении следа лазерной об- работки, перпендикулярном направлению пе- ремещения пятна лазерного луча, представлено на рис. 1. Рис. 1. Распределение температуры в осях Y–Z от лазерного воздействия движущегося (по оси X) круглого пятна (Р = 6 107 Вт/м2; v = 50 10–3 м/с; R = 1,5 мм; t = 2R/v); Y×6,85; Z×5,7 Из анализа, полученного расчетом темпе- ратурного поля, размеры термоупрочненной зоны при температуре α–γ-превращения 800 °С должны составлять: ширина ~ 1,6 мм, глубина по центру ~ 0,15 мм. Реальные значения разме- ров термоупрочненной зоны поверхности СЧ20, предварительно подвергнутой УЗППД, представлены на рис. 2 и составляют: шири- на ~ 1,4 мм, глубина по центру ~ 0,12 мм. Некоторые расхождения в значениях разме- ров зон, полученных расчетным и эксперимен- тальным путями, указывают, что реальная тем- пература α–γ-превращения для СЧ20 несколько выше 800 °С из-за погрешности применяемого метода расчета температурных полей. Рис. 2. Конфигурация термоупрочненной зоны от лазерного воздействия после УЗППД (×50) Таким образом, за счет предварительного УЗППД можно расширить технологические возможности лазерного термоупрочнения чу- гуна СЧ20 из твердого состояния с получением упрочненных слоев большей глубины и шири- ны, за счет расширения температурного диапа- зона с 240 до 340 °С, в котором происходит данный вид закалки. Здесь также немаловаж- ную роль играет то, что ультразвуковое по- верхностно-пластическое деформирование пер- литных чугунов способствует вытеснению феррита и увеличению процентного содержа- ния перлита в приповерхностном слое (зоне ультразвукового воздействия). Это, в свою оче- редь, при последующем лазерном термоупроч- нении позволяет получать более равномерные по глубине и твердости упрочненные поверх- ностные слои [10]. Использование в качестве предварительной операции перед лазерной обработкой ультра- звукового поверхностно-пластического дефор- мирования значительно повышает эффектив- ность и качество лазерного термоупрочнения. Как видно из приведенных на рис. 3 и 4 профи- лограмм поверхности СЧ20, обработанной УЗППД, значительно снижается шероховатость поверхности и последующая лазерная обработ- ка в режиме без оплавления практически не искажает исходного микрорельефа, сформиро- ванного УЗППД (рис. 4). Машиностроение и машиноведение 6 Наука техника, № 2, 2013 и Science & Technique Ra 6 мкм Ra 6 мкм Рис. 3. Профилограмма поверхности чугуна СЧ20 – исходная и после УЗППД (параметры УЗППД: частота УЗ колебаний – 18 кГц; амплитуда колебаний – 20–25 мкм; усилие статического прижима – 45 кг; поперечная подача деформирующего элемента – 0,6 мм/об; продольная скорость перемещения деформирующего элемента – 2,6 м/мин) Ra 6 мкм Ra 6 мкм Рис. 4. Профилограмма поверхности чугуна СЧ20 после УЗППД и последующей лазерной обработки В Ы В О Д Ы Ультразвуковое поверхностно-пластическое деформирование позволяет получать поверхно- сти с минимальной шероховатостью и наи- большей опорной поверхностью за счет фор- мирования микрорельефа с большим средним радиусом скругления вершин микронеровно- стей. Поэтому ультразвуковое поверхностно- пластическое деформирование перед лазерной обработкой является предпочтительным, и осо- бенно при лазерном термоупрочнении деталей из чугунов, так как обеспечивает эффективное проникновение углерода в металлическую мат- рицу по бездиффузионному механизму, снижая его содержание в свободном виде, а также бо- лее интенсивное измельчение, выкрашивание и удаление графита, выходящего на поверх- ность, с последующей ликвидацией пор и пус- тот на месте бывших графитовых включений за счет деформационного уплотнения. Это позво- ляет избежать микрооплавлений поверхности в зонах выхода частиц углерода на поверхность, который выгорает с образованием кратеров с оплавленными кромками даже в режиме об- работки без оплавления поверхности [8, 9]. Л И Т Е Р А Т У Р А 1. Mordike, B. L. Improvement of wear properties by la- ser surface treatment / B. L. Mordike // Proc. 3d European Conf. «Laser Treatment of Materials. ECLAT'90» 2 Vol. Eds. H. W. Bergmann, R. Kupfer. – Vol. 1. – P. 371–376. 2. Pompe W., SchuUrich B., Luft A., Lcpski D., Brenner B., Reitzcnstcin W., Muller H. // Proc. 3d European Conf. «Laser Treatment of Materials. ECLAT'90» 2 Vol. Eds. H. W. Bergmann, R. Kupfer Laser surface melting. – Vol. 1. – P. 399–410. 3. Григорьянц, А. Г. Основы лазерного термоупроч- нения сплавов / А. Г. Григорьянц, А. Н. Сафонов. – М.: Высш. шк., 1988. – 158 с. 4. Физические основы злектротермического упроч- нения стали / В. Я. Гриднев [и др.]. – Киев: Наук. думка, 1973. – 334 с. 5. Дьяченко, С. С. Образование аустенита в железо- углеродистых сплавах / С. С. Дьяченко. – М.: Металлур- гия, 1982. – 127 с. 6. Медников, С. И. К вопросу о снижении температу- ры начала фазового превращения в сталях под действием пластической деформации / С. И. Медников, Д. М. Гуре- ев // Письма в ЖТИ. – 1992. – Т. 18, № 5. – С. 25–27. 7. Гуреев, Г. Д. Совмещение лазерного и ультра- звукового воздействий для термообработки поверхности стали / Г. Д. Гуреев, Д. М. Гуреев // Вестник Сам. гос. техн. ун-та. Сер.: Физ.-мат. науки. – 2007. – № 1 (14). – С. 90–95. 8. Способ поверхностного упрочнения: пат. № 2735465 (RU) МКИ С21D1/09, С21D7/06 / С. Ф. Кукин, О. Г. Де- войно, А. А. Баркун, А. С. Кукин; BY. – № 2008131983; заявл. 01.08.2008. 9. Способ поверхностного упрочнения изделия из же- лезоуглеродистого или титанового сплава: пат. № 12978 (BY) МКИ С21D1/09, С21D1/78 / С. Ф. Кукин, О. Г. Де- войно, А. А. Баркун, А. С. Кукин; BY. – № 20080514; заявл. 18.04.2008. 10. Филяев, А. Т. Изнашивание сталей в ультразву- ковом поле / А. Т. Филяев. – Минск: Наука и техника, 1978. – 288 с. Поступила 10.05.2012 Ra 0,5 мкм Ra 0,5 мкм Зона ультразвуковой обработки Зона УЗППД и последующей лазерной обработки