Способ повышения усталостной прочности валов малого диаметра, изготовленных из хромоникелевых сталей аустенитно-ферритного класса
Упрочнение микротвердость лазерная обработка усталостная прочность.
Изобретение относится к области поверхностного упрочнения сталей. С помощью предложенного способа можно обеспечить повышение усталостной прочности валов малого диаметра, изготавливаемых из высоколегированных хромоникелевых сталей аустенитно-ферритного класса. Повышение усталостной прочности осуществляется за счет воздействия на поверхность импульсного лазерного излучения твердотельного лазера интенсивностью обработки от 10 до 29,8 Дж/мм^2∙с и скоростью перемещения 90-150 мм/мин с формированием кольцевых дорожек шириной 0,8 мм. Дорожки располагаются одна за одной с перекрытием от 0 до 10%.
Известен способ лазерного упрочнения поверхности металлов (Сафонов А.Н., Тарасенко В.М., Скоромник В.И. Лазерное термоупрочнение режущего инструмента: Обзорн. Информ. – ВНИПИЭИлеспром, 1989. С. 52).
Данный способ имеет недостатки при использовании его для валов малого диаметра:
- глубина упрочненного слоя определяется порогом подводимой энергии лазерного излучения, следовательно, для повышения глубины необходимо обеспечить более высокий энерговклад, что недопустимо при малом диаметре вала.
- невозможность оптимизации процесса поверхностного упрочнения.
Также известен способ повышения физико-механических свойств инструментальных и конструкционных материалов посредством использования импульсного лазерного излучения (Патент RU 2517632, опубл. 27.05.2014). Способ заключается в том, что что изделие подвергают лазерной обработке с использованием лазера импульсного действия при полезной энергии импульса 60-500 Дж, плотности мощности импульса 1,2·1010-4,3·1011 Вт/м2, длине волны 1,064·10-6 м и продолжительности импульса 0,8·10-3 с, при этом диаметр луча равен 1,2·10-3-2,5·10-3 м, а расстояние от места облучения до упрочняемой поверхности - 12-30 мм. Указанный способ имеет следующие недостатки:
- энергетические режимы назначаются исходя из типоразмера инструмента;
- высокие значения подводимой энергии, вызывающие при их использовании для валов диаметром от 5 до 15 мм серьезного оплавления поверхности, искривление оси вала или наоборот разупрочнение.
Для достижения повышения усталостной прочности вала малого диаметра необходимо с минимальным энергетическим воздействием обеспечить максимальную глубину упрочнения. Это достигается за счет использования эффекта «суперпозиций» при импульсной лазерной обработке хромоникелевых сталей аустенитно-ферритного класса, который формируется за счет энергии импульсов, накладываемых друг на друга до рассеивания их в материале за счет теплопроводности, то есть при одинаковом энергетическом вкладе в готовое изделие можно получить различную глубину упрочнения.
Было установлено, что при импульсной лазерной обработке хромоникелевых сталей аустенитно-ферритного класса зона упрочнения практически не имеет зоны отпуска с пониженными механическими характеристиками. Обработка осуществляется в виде кольцевых дорожек шириной 0,8 мм на поверхности вала диаметром от 5 до 15 мм перпендикулярных его оси без перекрытия с интенсивностью обработки от 10 до 29,8 Дж/мм^2∙с и скоростью перемещения 90-150 мм/мин
В стали 14Х17Н2 твердость изменяется в диапазоне от 300 до 457 HV.
Способ осуществляется по следующей схеме:
Вал малого диаметра (от 5 до 15 мм), изготовленный из хромоникелевых сталей аустенитно-ферритного класса после финишной механической обработки упрочняется сканированием пятном импульсного лазерного излучения с интенсивностью обработки от 10 до 29,8 Дж/мм^2∙с и скоростью перемещения 90-150 мм/мин, ширина дорожки – 0,8 мм. Кольцевая дорожка обеспечивается вращательным движением вала относительного неподвижного источника и поступательным движением стола. Вся упрочняемая поверхность обрабатывается последовательными дорожками с перекрытием не более 10%. Область обработки для снижения негативного влияния кислорода воздуха при нагреве и остывании защищают инертным газом – аргоном.
Новым в предлагаемом способе является то, что в качестве основного управляющего параметра импульсной лазерной обработки используется интенсивность обработки, которую предлагается определять по следующей формуле:
Ws=(Eи∙n)/(Sl∙t)                                                        (1)
где Sl – площадь участка единичной длинны, мм2
Еи – Энергия импульса, Дж
t – Время обработки, с
n – Количество импульсов на участке
Для определения конкретных режимов упрочняющей обработки могут быть использованы результаты проведенных экспериментов.
Для оценки усталостной прочности обработанные валы диаметром 7 мм были испытаны по схеме, представленной на фиг. 2. Для определения значения усталостной прочности один конец вала закреплялся с помощью жесткой заделки, а противоположному концу сообщалось вращение на угол ± 18° с частотой 750 об/мин. Длина заделки 208 мм, что соответствует мощности электродвигателя 35 кВт.
Выбор основных параметров предлагаемой в способе лазерной импульсной обработки должен обеспечивать формирование на поверхности вала малого диаметра упрочненной области не менее 0,6 мм.
Машиностроение, специальное машиностроение
55.13.17
Технология производства деталей и узлов машин
55.21.15
Термическая обработка
Дарья
Остальцева
Владимировна
"Отсутствует"
"Отсутствует"
РОССИЯ
Евгений
Маринин
Анатольевич
"Кандидат технических наук"
"Доцент"
РОССИЯ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ "ФОНД СОДЕЙСТВИЯ РАЗВИТИЮ МАЛЫХ ФОРМ ПРЕДПРИЯТИЙ В НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ СФЕРЕ"
1027739479734
СЕРГЕЙ
ПОЛЯКОВ
ГЕННАДЬЕВИЧ
Организация
Федеральное государственное бюджетное учреждение "Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере"
Федеральные государственные бюджетные учреждения
Дарья
Остальцева
Владимировна
Физическое лицо
РОССИЯ