Упрочнение проводилось на лазерах Комета-2 ЛТ1-2, МТЛ-2, ЛС-2, YLR-150/1500-QCW-AG, металлографические исследования на приборе НЕОФОТ-2, микротвердость- на приборе ПМТ-3.
Лазерное упрочнение инструментальных сталей приводит к появлению на поверхности слоя с измененной структурой. Глубина упрочнения регламентируется режимами поверхностной обработки. При получении зоны оплавления на поверхности стали 9ХС фиксируется значительная микротвердость до
1200 Hm50, шероховатость поверхности до 60 мкм. У упрочненных подобным образом пильных дисков эксплуатационные свойства повысились в 2 - 5 раз.
Исследование влияния режимов обработки пильных дисков в условиях ДОК на их работоспособность при разрезке древесины показало, что чем больше глубина упрочнения, тем цифры превышения стойкости пильных дисков скромнее. Существует некая оптимальная глубина упрочнения дисков рис. 1, позволяющая получать максимальные уровни работоспособности, примерно в 5 раз превышающие уровень штатных дисков. Такое поведение можно объяснить чрезмерным охрупчиванием зуба пильного диска при его упрочнении на глубину большую, чем 0,5 мм, учитывая ударный механизм нагружения в процессе работы.
Рис. 1 Изменение глубины упрочнения и работоспособности (А) пильных дисков от скорости обработки (V)
Рис. 2 Изменения геометрии лезвия после длительной эксплуатации
Проводились тестовые испытания влияния лазерного облучения на работоспособность обычного слесарного инструмента, изготовленного из низколегированных сталей (стамески, топоры, ножи, пилы, лезвия рубанков). Результаты испытаний деревообрабатывающего инструмента показали примерно одинаковые цифры увеличения стойкости инструмента при производстве столярных и слесарных работ. В целом их работоспособность также повысилась в 5 раз. Отличие режимов упрочнения этого класса инструмента состояло в разработке режимов, позволяющих предотвращать оплавление режущей кромки инструмента. Был отмечен различный уровень работоспособности ножей в зависимости от выполняемых операций. При стругании вдоль древесины нож сохранял свою работоспособность дольше. Исследование изменения формы лезвия показало, что съем металла при работе инструмента происходит больше с необработанной стороны, поэтому кромка дольше оставалась острой и даже становилась острее исходного состояния. На рис. 2 представлено изменение формы лезвия поле лазерного упрочнения. Можно считать, что инструмент проявлял свойства самозатачивания.
Упрочнялись также образцы инструмента — ножниц, кровельных ножниц, кусачек. После упрочнения наблюдалось существенное увеличение рабочих свойств инструмента, становились возможными операции по разрезке толстого листового металла. Ножницами можно было резать тонкую нержавейку и бронзу, медь, а кровельные ножницы способны были резать 4 мм латунь, что вызвало восторг местных механиков и слесарей. До заточки такой инструмент простаивал дольше, не менее чем в 2 раза (точных цифр не удалось получить из-за нерегулярности выполнения операции). На рис. 3 представлен подобный инструмент.
Рис. 3 Кровельные ножницы, ножницы, упрочненные лазером
Упрочнение вырубных пуансонов, пуансонов для горячей и жидкой штамповки с лазерным поверхностным легированием позволяло также увеличить работоспособность такого вида инструмента (рис. 4). Повышение составляло от 120 до 500%. Главную роль здесь играет выбор исходной твердости тела пуансона и твердости упрочненного слоя. Для горячей штамповки использовали боридные добавки, что позволяло существенно повысить жаростойкость инструмента за счет измельчения структуры поверхностного слоя.
Упрочнение штампов проводилось на штампах, имеющих твердость не более 50 HRC. При использовании уже закаленных до высокой твердости штампов могли наблюдаться трещины из-за напряжений, вызываемых поверхностным нагревом. Наиболее подходят для лазерного упрочнения порошковые материалы «Кармо» и аналогичные сплавы. Лазерная технология позволяет упрочнять сложные формы штампов по заранее выбранной трехмерной траектории (рис. 4).
Рис. 4 Вырубные пуансоны после лазерной поверхностной обработки
Особую группу инструмента составляли метчики для нарезания резьбы. Упрочнение осложнялось созданием режима для упрочнения резьбы без изменения геометрии поверхности. Избежать оплавления поверхности удалось с помощью несложной оснастки. Работоспособность такого инструмента повысилась на 150 – 200%.
Упрочнение хромистых нержавеющих сталей без оплавления затруднено, но при необходимом распределении плотности мощности излучения по поверхности сталь 40Х13 удалось упрочнять до твердости 1200 Hm50 , а 20Х13 – до твердости 600 Hm50.
С помощью этих режимов упрочнялось большое количество медицинского инструмента [1]. По мнению медиков свойства инструмента были существенно выше обработанного по традиционной технологии.
Упрочнялись ножи мясоперерабытывающих заводов, достигнутые значения превышения стойкости — в 5 раз до перезаточки. При этом использовалось одностороннее упрочнение ножей для проявления ранее упомянутого эффекта самозаточки.
Эксклюзивный инструмент с лазерным оксидированием производили на титановых сплавах. Испытания титановых ножей после термического и лазерного оксидирования показали преимущество лазерных (по стойкости в 2 с лишним раза), причем лезвие ножа также имело свойство самозатачивания в процессе работы.
Особую группу составил захватный инструмент для геологоразведочных организаций. С помощью разработанной технологии удалось провести упрочнение с созданием у поверхности фрикционного слоя, позволяющего увеличить нагрузку на трущиеся пары для удержания бурового оборудования. Стойкость, например, гладко-захватных ключей увеличилась в 3 раза, а кулачков гидропатрона станка - в 1,7 – 2,0 раза, при этом не надо было сыпать песок для увеличения фрикционных свойств инструмента. Аналогичные цифры были получены для захватных деталей — сухарей, плашек, ключей шарнирных, используемых на буровой.
С помощью лазера оказалось возможным упрочнять и породоразрушающий инструмент, за счет упрочнения алмазосодержащей матрицы и овализации алмазных кромок. Зафиксированное увеличение работоспособности такого инструмента 25- 30% и до 100% для дисковых алмазных пил.
Рис. 5 а) нож хирургических кусачек с лазерным упрочнением,
б) головка отвертки с лазерным легированием
Как видно из приведенного опыта, лазерное упрочнение способно повышать стойкость самого разнообразного инструмента. Важно в каждом случае иметь технологию, позволяющую, увеличив стойкость инструмента, довести его до совершенства. Немаловажно, что для проведения упрочнения не надо большой мощности излучения. Авторами статьи уже опробована новая установка на основе импульсного волоконного лазера YLR-150/1500-QCW-AG, и часть инструмента успешно упрочнялась именно на ней: стоимость ее не такая высокая, а эффективность, по данным как нашего исследования, так и других источников, более чем удовлетворительная.
, Попов В.О.,
Cейфулин Д.Э., Шмелева И.Ю.
НТЦ «ЭЛЕКТРОРЕСУРС»
Санкт-Петербургский государственный
политехнический университет
Литература:
- Волоконные лазеры в производстве имплантатов и медицинского инструмента. Скрипченко А.И., Попов В.О., Попков В.М., Сейфулин Д.Э., А.И. Утехин (РИТМ, март 2011 стр. 32-35).
- Лазерное упрочнение бурового инструмента. Скрипченко А.И., Попов В.О., Кондратьев С.Ю., Вайнерман А.Е., Плавский Д.Н. (РИТМ, ноябрь 2010 стр.26-29).
------------------------------------------------------
Статья подготовлена в рамках Комплексной программы исследовательских работ по технологии обработки волоконными лазерами в области сварки материалов.
ПРИГЛАШЕНИЕ
Участники Комплексной программы приглашают все заинтересованные организации к присоединению к Программе в статусе «ассоциированных участников».
Ассоциированные участники регистрируются после заполнения Заявления на сайте www.elres.ru/fiberlaser-tr и подтверждения членства на очередном заседании Коордионационного совета. Список Ассоциированных участников публикуется на сайте Программы.
Ассоциированные участники имеют право:
Получать регулярные информационные рассылки о деятельности в рамках Программы, включая результаты научно-технологических исследований.
Участвовать с совещательным голосом в заседаниях Коордионационного совета и иных рабочих совещаниях, формируемых в рамках программы.
Подавать свои предложения об участии в исследовательских программах, в том числе и предложения по финансированию работ, представляющих для них коммерческий или научный интерес.
"