Підвищення зносостійкості робочих поверхонь штока гідроциліндра когерентним випромінюванням

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Вінницький національний технічний університет

Підвищення зносостійкості робочих поверхонь штока гідроциліндра когерентним випромінюванням

О.П. Шиліна, канд. техн. наук

Аннотация

Приведены результаты расчетов с использованием прикладного пакета програмы ANSYS по использованию лазерной и плазменной термообработки углеродистых сталей. Появляется вожможность новых принципов конструирования деталей машин и узлов, внесения коренных изменений в технологию изготовления изделий.

Annotation

The results of calculations are resulted with the use of the applied package of programy ANSYS on the use of laser and plasma heat treatment of uglerodistikh staley .Poyavlyaet'sya vozhmozhnost'novikh principles of constructing of details of machines and knots, bringing of drastic alternations in technology of making of wares.

Вступ

Проблема захисту деталей гідроциліндру від руйнування залишається актуальною. З підвищенням потужності сучасних машин, та, відповідно, підвищення потужності гідросистеми машини, важливою задачею є захист від зношування штоків гідроциліндрів

Cучасні виробники штоків гідроциліндрів постачають їх зміцненими гальванічним хромуванням. В результаті хромування спостерігається значне підвищення зносостійкості. Електролітичний хром - твердий, крихкий метал, сріблясто-сталевого кольору, який володіє високою зносостійкістю та жаростійкістю. Електролітичні осади хрому характеризуються високими внутрішніми напруженнями та значною пористістю.

Зовнішній вигляд, структура та механічні властивості електролітичного хрому змінюються у дуже широких межах залежно від умов електролізу, складу та температури електроліту, щільності струму. Так, при незмінному складі електроліту можна, змінюючи щільність струму та температуру електроліту, отримати три різні види осаду: блискучий, молочний та матовий (сірий).

Дуже добре протистоять кавітаційному руйнуванню сталі з мартенситною структурою [1]. Поверхневе зміцнення когерентним випромінюванням дозволяє підвищувати опір руйнуванню поверхневих шарів вуглецевих сталей.

Головною перевагою лазерів є можливість отримання в безперервному режимі, практично в будь-яких середовищах, самої вищої густини потужності. Можливість контролю потужності випромінювання та гарне фокусування пучку дозволяє забезпечити локальний нагрів в важкодоступних місцях, та при цьому виключити або звести до мінімуму просторові деформації, що вкрай важливо при зміцненні деталей. Застосування лазерного випромінювання для зміцнення матеріалів засновано на створенні великої щільності потужності в зоні обробки.

Частина енергії лазерного випромінювання, падаючого на поверхню матеріалу, поглинається ним, частина відбивається. Всередині і на поверхні тіла, починаючи з деякого часу, діє теплове джерело, що розподілене в часі та просторі певним чином. Густина поглиненої потужності випромінювання змінюється в середині об'єму твердого тіла за законом Бугера.

(1)

де qvо та qv(z) - об'ємні густини потоку випромінювання на поверхні тіла та на відстані z від поверхні, Вт/см2; R, б - коефіцієнти відбиття та поглинання світла.

За допомогою одномірної моделі нагріву напівбезкінечного тіла джерелом тепла постійної інтенсивності можна знайти час досягання на поверхні температури плавлення.

(2)

де Тт - температури плавлення матеріалу, С0; л - коефіцієнт електронної теплопровідності, Вт/см·град; а - коефіцієнт теплопровідності см2/с; q0 - густина потоку потужності.

Після того, як температура на поверхні металу досягає точки плавлення, починається розплавлення поверхневого шару та розповсюдження границь рідкої фази в глиб металу. Максимальна глибина проплавленого шару залежить від коефіцієнта теплопровідності матеріалу. При його великих значеннях тепло швидко відводиться в глиб матеріалу, що знижує кількість розплаву.

1. Основні результати досліджень

В багатьох матеріалах фазові перетворення можуть відбуватися і при температурі, меншої температури плавлення; типовим прикладом можуть служити сплави заліза, в яких при зміні температури відбуваються різні структурні перетворення. Прикладом процесу лазерної термообробки, при якому відбуваються такі структурні перетворення, є гартування різних матеріалів (цей процес не обов'язково супроводжується появою розплавленої зони). При інших видах лазерної термообробки поверхневий шар матеріалу розплавляється - це процеси поверхневого легування, наплавлення, аморфізації.

Оскільки поверхневу термообробку металів можна виконувати не тільки лазерним випромінюванням, але і за допомогою інших джерел енергії (струми високої частоти, плазмовий нагрів, електронний промінь), слід зазначити основні переваги лазерної термообробки [2,3]:

- допустима локальна термообробка вибраних ділянок поверхні зразка в місцях, недоступних при інших методах обробки;

- конфігурація оброблюваної ділянки може бути тривимірною;

- внаслідок великої швидкості при лазерній термообробці зразок деформується менше, ніж при обробці іншими методами; в цьому відношенні лазерна термообробка аналогічна електронно-променевій.

На відміну від електронно-променевої технології у випадку лазерної термообробки і плазмової відпадає необхідність вакуумування зразка, термообробку можна проводити в різних (активних і нейтральних) газових середовищах; відсутнє рентгенівське випромінювання від зразка (при q < 108 Вт/см2).

Однією з основних областей використання лазера в машинобудуванні є лазерна термообробка. На поверхневу термообробку доводиться близько 70% всіх процесів лазерної обробки матеріалів [4]. Позначається той факт, що для термообробки поверхні деталей, взагалі кажучи, можна використовувати лазери середньої потужності 1-5 кВт. Такі лазери прості у виготовленні і експлуатації. Приведемо приклади використання лазерної поверхневої обробки, де очікується швидкий і найбільш економічний ефект [2,3]: обробка інструментів, прецизійних деталей і штампів, загартування валів; загартування, легування і ремонт ріжучих кромок знарядь і машин для дорожнього будівництва, сільського господарства, гірської проходки. Звичайно, нові способи технології мають не тільки переваги перед традиційними, але і створюють при упровадженні ряд проблем технічного і економічного характеру [3].

В даній роботі були поставлені такі задачі дослідження:

1. Дослідити залежність розповсюдження дії випромінювання при лазерному та плазмовому методах;

2. Вивчити залежність мікроструктури від виду опромінення.

Елементарні об'єми зразка, що знаходяться на різній глибині, нагріватимуться до різної температури; їх теплова історія (залежність температури від часу) буде різною. Саме теплова історія елементу визначає процес загартування матеріалу, що відбувається в ньому. Для знаходження теплової історії необхідно вирішити задачу про розподіл температури в зразку, що нагрівається поверхневим джерелом, яким є зона фокальної плями.

Розподіл температури в металі Т(х,у,z), що займає півпростір z<0 і рухомому із швидкістю v уздовж осі х, описується рівнянням теплопровідності

(3)

з граничними умовами:

(4)

де Т - температура зразка; с,с,k,б - густина, питома теплоємність і коефіцієнти теплопровідності і поглинання речовини. Якщо враховувати залежність с,k,б від температури, то рішення такої тривимірної задачі є вельми громіздким навіть для сучасних ЕОМ.

Використовуючи прикладну програму ANSYS, нами проведено визначення розподілу температури як в глиб зразка, так і по ширині ділянки зони опромінення залежно від часу опромінення.

Результати розрахунків показано на рис.1 при когерентному (лазерному) опромінюванні.

опромінення шток гідроциліндр зносостійкість

Рисунок 1 Вплив когерентного випромінювання від часу дії на розповсюдження тепла по об'єму зразка

Результати показують, що у випадку когерентного опромінення глибина проплавлення більша за ширину, це відбувається за рахунок великого тепловкладання на дуже малу ділянку поверхні зразка. Ширина ділянки впливу складає 3 мм, тоді як глибина 4,5мм. Температура при лазерному способі опромінення розповсюджується більш «гостро» від точки введення вглиб деталі і менше розігріває навколишній простір деталі.

Рисунок 2 Вплив плазмового випромінювання від часу дії на розповсюдження тепла по об'єму зразка

Рисунок 3 Мікроструктура сталевого зразка після плазмового оплавлення (Ч 500)

При плазмовому нагріві процес введення температури в тіло проходить значно довше і ширина проплавленого шару складає 20 мм, в той час як глибина становить 17-18 мм. Температура розподіляється плавно вглиб леталі.

На рис.3 показано мікроструктуру сталевого зразка після плазмового оплавлення, де оплавлений білий шар товщиною до 500 мкм різко переходе у основний метал.

Висновки

Аналіз отриманих даних за глибиною прогартовування дозволяє зробити висновок, що при використанні як лазерного променя, так і плазмового опромінення для зміцнення матеріалів з'являється можливість розробки нових принципів конструювання деталей машин і вузлів, внесення корінних змін в технологію виготовлення виробів. При такому способі зміцнення можна змінити властивості різних ділянок деталі, виготовленої з порівняно недорогого конструкційного матеріалу, і одержати сплави з унікальними характеристиками міцності, зносостійкості і корозійної стійкості.

Список литературы

1. Богачов Н.Н. Кавитационное разрушение и кавитационностойкие сплавы - М.: Металлургия. 1972 - 189 с.

2. Рэди Дж. Промышленное применение лазеров - М.: Мир, 1981-638 с.

3. Виноградова М.Б., Руденко О.В., Сухоруков А.П. Теория волн - М.: Наука, 1979-383 с.

4. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория поля- М.: Наука, 1967-460 с.

5. Веденов А.А. Физика электроразрядных лазеров - М.: Энергоиздат, 1982-111с.

Размещено на Allbest.ru