Процессы лазерной поверхностной обработки

Другой характеристикой процесса поглощения как и процесса отражения является поглощательная способность. По сути представляющая "КПД" процесса.

А = 1 - R

А - поглощательная способность

R - коэффициент отражения

На поглощательную способность оказывает влияние большое число факторов. Это, как свойства облучаемого материала, так и свойства ЛИ. Особенно важную роль играют эти факторы на эффективность поглощения излучения при лазерной ПО без оплавления поверхности. При этом поглощательная способность может изменятся для технических поверхностей в пределах А = 25-90%. Это равноценно тому, что мощность лазерной установки колебалась бы в таких пределах.

Представим полный процесс поглощения ЛИ обрабатываемым материалом.

Баланс энергии включает как существенные потери энергии (например, на отражение), так и не существенные (например, тепловое излучение, энергия структурно-фазовых превращений). Анализ этой схемы показывает возможные пути управления процессом, но для этого надо знать закономерности изменения поглощательной способности:

1. длина волны излучения и электропроводность

В общем случае поглощательная способность зависит от электропроводности материалов:

у0 - удельная электропроводность материалов

Для излучения коротковолновой области спектра (ультрафиолетовая область л < 0,4 мкм, эксимерные лазеры л = 0,2 мкм) характерна высокая поглощательная способность практический для всех материалов, как диэлектриков, так и проводников.

Для видимого диапазона и ближней инфракрасной области 0,4 < л < 5 мкм (Ar, на парах меди, алюмоитриевый гранат YAG:Nd, рубин, He-Ne, YAG) характерна низкая поглощательная способность на уровне 20-25% как для металлов, так и неметаллов - необходимы специальные меры повышения поглощательной способности.

Для излучения с л > 5 мкм (СО, СО2): диэлектрики практический имеют 100% поглощение; металлы имеют плохую поглощательную способность на уровне 20-25%.

Для повышения эффективности обработки металлов нужно принимать специальные меры, например, на металл нанести диэлектрическое покрытие.

2. температура

С увеличением температуры поглощательная способность существенно растет особенно сильно для длины волны л = 1,06 мкм. Поскольку температура поверхности зависит от ряда факторов, например:

а) теплофизические свойства - чем больше теплопроводность материала тем поглощательная способности будет меньше. Например, закаленная сталь имеет поглощательную способность выше чем сырая;

б) от режима облучения - с увеличением диаметра пятна фокусирования увеличивается поглощательная способность. Поэтому, что увеличение А наблюдается из-за превалирующего влияния увеличения площади нагретого материала поглощающего излучение.

3. шероховатость поверхности

Увеличение шероховатости поверхности, микронеровностей приводит к росту поглощательной способности, но до определенных пределов. Например, обработка шлифованной шкуркой с определенной зернистостью определяющей глубину и конфигурацию микровпадин может повысить поглощательную способность строго определенной длины волны до 35-45% не больше.

4. нанесение покрытий

При ПО для увеличения поглощательной способности применяют различные поглощающие покрытия. При этом их эффективность зависит от химического состава, пористости и толщины.

Оптимальная толщина покрытий обеспечивает полное поглощение лазерного излучения при двукратном прохождении прямого и отраженного от материала основы излучения. Ее значение для покрытий, наносимых окрашиванием, напылением составляет 20-30 мкм; для покрытий, получаемых химическим оксидированием, фосфатированием она составляет 4-5 мкм. При толщине меньше оптимальной часть излучения отражается. При толщине больше оптимальной покрытие начинает поглощать интенсивно излучение, и разрушаться (сгорать), в результате чего увеличиваются потери за счет отражения.

Длина волны л = 10,6 мкм. Наиболее эффективными покрытиями для этой длины волны являются покрытия, получаемые химическим оксидированием - пленка Fe3O4 толщиной 5 мкм, время нанесения порядка 10 минут. В результате оксидирования (воронения) на поверхности образуется тонкая пленка темно-синего цвета толщиной 5 мкм, которая обеспечивает поглощательную способность до А = 85%. При этом такое покрытие наносится на сложные криволинейные поверхности достаточно быстро и равномерно. Достоинством этого способа является то, что не усложняется технологический процесс изготовления детали. Поскольку такое покрытие применяется для защиты от коррозии, а также придания изделиям товарного вида.

Оксидирование целесообразно применять для углеродистых и низколегированных сталей.

Химическое фосфатирование. Химическое фосфатирование это процесс, при котором на облучаемые поверхности наносятся соли ортофосфорной кислоты Mn3(PO4) или Zn3(PO4). Покрытие представляет собой пленку темно-серого цвета толщиной 3-5 мкм, имеющее пористую структуру. Такие покрытия обеспечивают поглощательную способность сталей и чугунов А = 75-80%. Достаточно просто наносятся вручную окрашиванием специальным составом "Мажеф" или обработкой в химических ваннах.

Фосфатированию целесообразно подвергать нержавеющие стали, чугуны и углеродистые стали, если они работают в узлах трения. Поскольку пористое строение за счет аккумулирования масла снижает коэффициент трения.

Для нержавеющих сталей, для деталей со сложной пространственной конфигурацией целесообразно применять покрытия наносимые распылением или окрашиванием. Для этого применяются водные растворы окислов металлов на основе ZnO (белая гуашь), Pb2O5 (желтая гуашь) как наиболее эффективные.

Для увеличения сцепления покрытий с основой в водный раствор гуаши целесообразно добавлять поверхностно активные вещества (ПАВ) ОП7-ОП10. Поглощающая способность таких покрытий при толщине 20-30 мкм составляет 70-75%. Кроме названных разработан ряд специальных покрытий МСЦ-510, СТ504, ФС-1М.

Покрытие	Основа	Цвет	Материал	А, %
МСЦ-510	силикат натрия, метилцелюлоза	белый	стали, чугуны	80
СК504	силикат натрия	темно-коричневый	стали, чугуны	90
ФС-1М	алюмохромфосфат	темно-зеленый	алюминиевые сплавы	90

Приведенные покрытия применяются для сталей и чугунов любого состава, наносятся распылением. Покрытие СТ504 является эффективнее, но сложнее удаляется после обработки; МСЦ-510 удаляется легко - смытием водой. Покрытие ФС-1М разработано специально для алюминиевых сплавов, используются при обработке с оплавлением поверхности, способствуют образованию практически зеркальной поверхности.

Излучение 1,06 мкм. Поскольку данная длина волны сильно отражается как металлами, так и неметаллами, то для повышения поглощательной способности целесообразно придавать поверхности свойства характерные для абсолютно черного тела, т.е. обеспечить многократное переотражение падающего излучения на элементах поверхности. Этого достигают путем химического травления поверхности (обработкой кислотами) нанесением пористых покрытий, нанесением на поверхность покрытий из специального микрорельефа.

Наиболее эффективно покрытие, представляющее собой колоидный спиртовой раствор газовой сажи. При испарении спирта между частицами образуются поры, куда проникает и где поглощается ЛИ. Для того чтобы удерживались эти частицы и создавали каркас покрытия в раствор добавляется клей. Применение таких покрытий повышает поглощательную способность до 90%.

Облучаемые поверхности можно обработать хлорным железом азотной кислотой и др., что также повышает поглощательную способность, но ухудшает качество поверхности, иногда требуется последующая обработка.

Кроме этих можно применять и уникальные способы нанесения в вакууме вольфрамного порошка и порошков других металлов. Эти частицы на поверхности образуют структуры типа щетки, что также повышает эффективность обработки.

Все перечисленное выше касается условий обработки без оплавления поверхности. При наличии оплавления поверхности связанного с образованием кратера (сварка, наплавка, микролегирование) проблема повышения поглощательной способности отпадаем. Поскольку кратер является "ловушкой" ЛИ в результате многократного переотражения. При относительном движении к этому эффекту (появление кратера) добавляется эффект от впереди бегущей тепловой волны.

Способы измерения поглощательной способности материалов

Для оценки поглощающей способности применяются способы базирующиеся на измерении энергии поглощенного излучения, а также способы базирующиеся на измерении отраженного ЛИ. Самым простым способом измерения поглощенной энергии является калориметрический.



Образец нагревается ЛИ мощностью Р в течении времени t. Измеряя температуру жидкости в которую помещается образец после облучения, ее теплоемкость и ее массу можно определить количество энергии поглощенной образцом. Ее отношение к энергии падающего излучения является поглощающей способностью. Если требуется точное определение, то для этого надо знать теплоемкость калориметра, массу сосуда и температуру сосуда. Несмотря на простоту, способ достаточно точен и его можно применять для калибровки приборов с относительной схемой измерения.

Измерение отраженного излучения с помощью системы термопар или переотражением отраженного излучения с помощью зеркальной пластины являются простыми способами, но имеют недостаточную точность в виду того, что поверхности изменяют свои оптические свойства.

Способ измерения поглощающей способности калориметрической полусферой

Устройство в виде полусферы с центральным отверстием крепится на фокусирующей системе и устанавливается над облучаемой поверхностью. Полусфера состоит из материала с высокой теплопроводностью (медь, алюминий). Полость между полусферами заполняется воздухом (большие мощности излучения), спирт + вода (средние мощности), спирт (малые мощности).

Нижняя полусфера имеет поглощающее покрытие. Для исключения теплообмена с окружающей средой на наружную полусферу нанесено теплоизолирующее покрытие. ЛИ, отраженное от облученной поверхности поглощается нижней полусферой и нагревает среду полости. Датчик давления (например, ДД6 с электрическим выходом) измеряет изменение давления как на этапе нагрева так и на этапе охлаждения. Осциллограмма изменения напряжения на выходе датчика от времени имеет три характерных участка:

1. нагрев полусферы

2. охлаждение полусферы нижней

3. охлаждение полусферы со средой

Точка пересечения касательных ко второму и третьему участку соответствует напряжению пропорциональному давлению среды, пропорциональному температуре среды и пропорциональному количеству поглощенной энергии.

По тарированному графику который получают облучением полусферы пучком известной мощности в течении определенного диапазона времени, определяют энергию поглощенного излучения, а значит и поглощательную способность поверхности.

Устройство позволяет с высоким быстродействием (постоянная времени ф ? 10-2 с) определять поглощательную способность поверхности в различные моменты времени при различных режимах обработки. Кроме этого устройство может быть применено в качестве датчика обратной связи для системы стабилизации температуры облучаемой поверхности.

Значительно более эффективным является устройство - пироэлектрическая полусфера.

Пироэлектрическая полусфера

Главной особенностью пироэлектрического приемника является большое быстродействие (постоянная времени ф = 10-5…10-6 с), что позволяет применять данную систему для управления процессом лазерной ПО со стабилизацией температуры поверхности в реальном масштабе времени. Основным элементом устройства является пироэлектрическая полусфера, в центральном отверстии которой располагается зеркальный медный конус с отверстием. Резьбовое соединение позволяет изменять положение отверстия конуса относительно облучаемой поверхности. Полусфера размещена в водоохлаждаемом корпусе. Наружная и внутренняя пленка полусферы из Ni с помощью специальных электродов выведена из корпуса и подключена к измерительному блоку или компьютеру. Измерительный блок определяет скорость изменения температуры, облучаемой отраженным излучением поверхности, а значит и интегральное значение энергии отраженного излучения и определяет текущее значение поглощающей способности (динамику ее изменения).

Для научных исследований этот прибор может быть усовершенствован путем разделения наружной пленки никеля на отдельные участки электрический изолированные друг от друга. Такая схема позволяет оценивать пространственную диаграмму распределения отраженного излучения.

Устройство позволяет оценивать соотношение зеркально-отраженной и дифузно-рассеяной компонент.

Тепловые процессы в материалах при действии ЛИ

Знание тепловых процессов позволяет:

1. производить расчет и определять режимы ЛПО, проводить их оптимизацию;

2. прогнозировать структурно-фазовые превращения в поверхностных слоях;

3. оценивать напряженно-деформированные состояния отдельных участков и изделий в целом (остаточные напряжения, остаточные деформации).

На тепловые процессы в материалах оказывает влияние:

1. параметры ЛИ (мощность Р, энергия Е, длительность ф, диаметр пятна фокусирования d0, t(V));

2. обрабатываемый материал:

· поглощающая способность А(Т) - нелинейность II-го рода;

· теплофизические свойства а(Т), с(Т), k(Т) - температуропроводность, теплоемкость, теплопроводность - нелинейность I-го рода;

· размеры и форма - тонкая пластина , полубесконечный массив , изделие клиновидной формы - размер соизмерим с размерами теплового источника, больше и меньше;

Тепловой источник эквивалентный действию лазерного луча при ПО металлических материалов является поверхностным и распределенным. Поверхностным потому, что коэффициент поглощения для металлов очень большой б = 105…106 см-1. Распределенный обусловлено тем, что радиус пятна фокусирования ( - глубина ощутимого прогрева). Последнее позволяет распространением тепла в боковых направлениях пренебречь и тепловую задачу решать как одномерную.

Если величина , то такое тело будем называть полубесконечным. Распространение тепла вдоль оси z описывается одномерным дифференциальным уравнением типа:



где Т - температура

z - координата в направлении действия теплового источника

t - текущее значение времени

а - коэффициент температуропроводности, см2/с

k - коэффициент теплопроводности Вт/(г·см2)

q - интенсивность теплового источника

q = A·Wp·ц(t)

Тепловой источник может иметь различное распределение интенсивности:

· цилиндрическое

· прямоугольное

· Гауссово

· эллиптическое

· прямоугольное Гауссово

ц(t) - функция, описывающая временную структуру лазерного импульса (прямоугольная ц(t) = 1, треугольная, колоколообразная).

Для решения этого дифференциального уравнения необходимо задать граничные условия , т.е. отсутствует теплообмен с окружающей средой.

Начальными условиями являются:

· Т(?, t) = Тн - температура на бесконечности за весь период облучения не меняется (равна начальной или нулю);

· Т(z, 0) = Тн - температура в рассматриваемой области в начальный момент времени равна начальной или нулю.

Общим решением уравнения теплопроводности в течении времени t ? ф имеет вид:

где А - поглощающая способность

ф - длительность импульса

ierfc - функция Бесселя

erfy - функция ошибки

Данные значения табулированы в соответствующих справочниках (например, Лыков "Основы теплопроводности").

Распределение температур на поверхности:

Для учета сдвига критических точек структурно-фазовых превращений (аустенизации) возникает необходимость определения скорости нагрева:

В приведенных зависимостях рассматриваемое время соизмеримо со временем действия ЛИ. В реальных условиях после прекращения действия ЛИ процесс теплопроводности продолжается. Изотерма с фиксированной температурой, например, Тз какое-то время t0 продвигается вглубь материала и достигает максимальной глубины zmax, после чего возвращается к поверхности. Эта zmax представляет практический интерес поскольку она определяет толщину слоя, в котором протекают соответствующие эффекты (например, закалка).

Для времени t > 0 и больше ф распределение температур описывается зависимостью:

где t0 - время, за которое заданная изотерма достигает

Из этой зависимости можно определить zmax:

Поскольку t0 заранее не известно, то рассчитать zmax непосредственно с помощью этого выражения нельзя. Однако его можно аппроксимировать определенными функциями. Если ввести коэффициент b, представляющий отношение искомой изотермы (например, Тз) к температуре на поверхности , то для различных значений b (для различных материалов сталей) эта аппроксимирующая функция будет иметь различные значения.

Для b < 0,3 (малоуглеродистые стали, эфтектоидные стали) эта зависимость аппроксимируется функцией

0,3 < b < 0,75

0,75 ? b ? 1 (инструментальные стали)

Определяющей характеристикой структурно-фазовых превращений при закалке является скорость охлаждения, которая может быть определена из зависимости:

При действии непрерывного ЛИ процессы усложняются поскольку тепловой источник является движущимся. Считаем, что на полубесконечное тело действует тепловой источник с постоянной интенсивностью:

При этом тепловой источник движется со скоростью V. При этом время действия теплового источника t представляет собой отношение диаметра луча к скорости относительного движения (время, за которое луч проходит свой диаметр):

Для прямоугольного распределения это абсолютно справедливо. Для других распределений, например, Гаусового характерна некоторая ошибка. Усредненное время будет меньше. Распределение температур в этом случае вдоль оси z описывается зависимостью:

(1)

где Ф = 1 - Ф*

В случае, когда глубина прогрева это выражение (1) существенно упрощается:

Такое упрощение позволяет рассчитывать температуру с ошибкой не более 10% по отношению к зависимости (1). Чтобы учесть влияние этого упрощения вводится понятие обобщенной скорости:

В случае если > , тогда расчет температуры можно вести с помощью упрощенного выражения. Если (или близка) необходимо вводить поправочный коэффициент г.

г - поправочный коэффициент представляющий собой отношение безразмерных температур подсчитанных с учетом значений Т1 и Т2 по упрощенной и полной зависимостям

Зная скорость перемещения теплового источника, радиус пятна фокусирования и коэффициент температуропроводности определяется значение о, а затем по графику соответственно поправочный коэффициент. Данный поправочный коэффициент вводится на мощность или плотность мощности

С учетом приведенных коэффициентов распределение температур на оси пучка можно записать:

Максимальная глубина проникновения изотермы с температурой не превышающей температуру плавления, но достаточной для закалки будет иметь место в том случае если температура на поверхности материала будет достигать ТПЛ. В этом случае эффективная плотность мощности будет иметь такое выражение:

Максимально достижимая глубина закалки на оси пучка при нагреве без оплавления поверхности может быть определена из двух выражений выше:



Если известна требуемая глубина закалки, а она практически всегда задается чертежом, то, преобразовав последнее выражение, можно найти требуемое время действия теплового источника:

При этом требуемая интенсивность теплового источника:

В соответствии с полученными данными можно определить радиус пятна фокусирования который требуется для обработки на глубину zЗ:

Если известно время и радиус пучка можно определить скорость относительного движения лазерного луча и заготовки:

Поскольку значение поправочного коэффициента г(о) заранее не известно, то расчет режимов проводят двумя способами:

1. метод последовательных приближений - полагают вначале, что г = 1. Из графика определяют г(о). Пересчитывают режимы с новым значением г;

2. введение дополнительной функции

F(о) можно посчитать используя приведенную зависимость или воспользовавшись графиком. В последнем случае расчет режимов на заданную глубину сводится к определению F(о), о и г(о), r0 и V.

Ширина закаленной зоны bЗ не всегда соответствует диаметру пятна фокусирования. В зависимости от теплофизических свойств материала, времени облучения и распределения интенсивности она может быть больше или меньше пятна фокусирования. Ее можно определить, воспользовавшись зависимостью:

Обычно ширина закаленной зоны или задается чертежом или выбирается из технологических соображений, т.е. также задается заранее. Поэтому последнюю зависимость удобно применить для нахождения r0.

Значительно реже, но все же возникает задача определения режимов лазерной обработки обеспечивающих максимальную глубину упрочненного слоя.

Изменение температуры на поверхности при z = 0 можно записать в следующем виде:



ф - приведенное время охлаждения

На термокинетической диаграмме (приводятся в соответствующих справочниках) обозначим точку касания критической скорости охлаждения с С-образной кривой Тi, которая определяет температуру распада аустенита. Из этой диаграммы определяется время охлаждения Дti от температуры закалки ТЗ до Тi.

Из кривой охлаждения, представляющей собой зависимость нормированной (отнесенной к ТПЛ) температуры от времени, определяется приведенное время охлаждения Дфi. Зная эти времена можно определить время закалки как отношение

Таким образом, минимальное время tЗ, обеспечивающее переохлаждение аустенита до начала мартенситного превращения, является максимальным временем действия лазерного излучения, при котором возможна автозакалка материалов.

Далее по известным зависимостям определяется , затем r0, V, т.е. все необходимые режимы обработки.

Кроме обработки расфокусированным пучком широко применяется обработка сканирующим пучком.

Расчет режимов обработки сканирующим лучом

Одним из основных требований ПО является получение равномерного по глубине упрочненного слоя и отсутствие дефектов на поверхности. Чтобы достичь таких результатов, необходимо применять однородный поверхностный источник тепла. Реальный лазерный луч как одномодовый, так и многомодовый не может обеспечить такой равномерный нагрев. С помощью специальных устройств сканаторов можно обеспечить однородно-распределенную интенсивность теплового источника по поверхности нагрева.

Расчет режимов при этом несколько усложняется. При этом необходимо от классической трехмерной задачи нагрева неограниченным движущимся источником тепла, перейти к одномерной тепловой задаче, дополнив ее комплексом параметров характеризующих сканирующий режим. Расчетная схема.

Глядя на эту схему пусть ЛП мощностью Р0 и площадью поперечного сечения у = рr02 сканируют с частотой ѓСК по площади величиной S. При этом облучаемая деталь перемещается относительно лазерного луча со скоростью V. При сканировании луча на каждый участок облученной поверхности действует свой импульсно-периодический тепловой источник с интенсивностью I(t). Для упрощения расчета температур можно вместо нагрева зоны сканирующим лучом принять нагрев зоны S импульсно-периодическим лазерным пучком однородной интенсивности в пятне фокусирования у. Общий вид теплового источника можно представить как последовательность прямоугольных импульсов, скважность которых определяется отношением нагреваемой зоны S к площади пятна фокусирования у:



Такой тепловой источник можно представить в виде ряда

Будем считать, что поглощательная способность А, коэффициент температуропроводности и теплопроводности константы, значения которых принимаются усредненными для всего рассматриваемого температурного интервала. Тогда в силу линейности уравнения теплопроводности распределение температур можно записать:

что представляет собой температурную волну. Постоянная составляющая температурной волны определяется по известной зависимости:

где г - поправочный коэффициент, зависящий от обобщенной скорости о и формы пятна фокусирования.

Для гармонического теплового источника, установившееся распределение температур для времени t > 1/f, принимает вид температурной волны:



Ввиду высокой скорости движения сканирующего луча коэффициент о достаточно велик, поэтому г = 1.

Общий вид температурных волн на различной глубине закаливаемой поверхности представлен на графиках.

Для получения стабильной глубины закалки вдоль упрочненной дорожки необходимо чтобы fСК была не ниже некоторой критической частоты сканирования fКР, при которой температурная волна практический полностью затухает на границе зоны закалки, т.е. при z = zЗ.

В качестве критерия затухания тепловой волны целесообразно принять условие, что отношение амплитуды первой гармоники ряда к величине температуры, создаваемой постоянной составляющей теплового источника меньше какого-то условно-заданного значения е:

Для характерных режимов закалки серого чугуна и углеродистой стали, зависимости критической частоты сканирования в зависимости от глубины закалки имеют следующий вид:

Температура нагрева при действии сканирующего теплового источника в среднем растет пропорционально и модулируется зависимостью Tk(t) (тепловая волна). Максимальное значение температуры можно определить из зависимости:



Режим закалки со сканированием должен обеспечить необходимую глубину упрочненного слоя zЗ при отсутствии на поверхности оплавленных участков, т.е. должно выполнятся условие

Тmax = ТПЛ

ТЗ = Т0

Чтобы можно было использовать зависимость для определения температуры от действия постоянной составляющей, частоту сканирования для заданной глубины закалки необходимо выбирать в соответствии с критерием е или рисунком fКР(zЗ). При определении температуры закалки необходимо учитывать высокие скорости нагрева, которые существенно влияют на полноту аустенизации, значение диффузии углерода в решетке. С учетом скорости нагрева значение ТЗ можно определить:

Vh - средняя скорость нагрева

k - коэффициент для стали k = 110 °С

D - коэффициент диффузии углерода в аустените

а0 - половина среднестатистического расстояния между зернами цементита в перлите

Учитывая все приведенные выше соображения время действия теплового источника можно определить как:



Интенсивность теплового источника можно определить:

Из приведенных зависимостей видно, что при увеличении f до ? и уменьшении амплитуды сканирования (G > 1) все эти формулы принимают значения для постоянного движущегося теплового источника.

Конкретные параметры режима обработки со сканированием r0, V и амплитуду сканирования d можно определить из следующих зависимостей:

d = r0(G - 1)

Оптимальность режима упрочнения со сканированием характеризуется производительностью обработки:

Структурно-фазовые превращения (СФП) в материале при действии ЛИ

СФП определяются химическим составом материала, исходным структурным состоянием, температурой и временем нагрева, скоростью охлаждения.

Лазерный нагрев отличается высокими скоростями процесса (103…106 °С/с), высокой локальностью, что обуславливает интенсивный теплоотвод в холодную массу основы со скоростями 103…106 °С/с. Эти скорости и накладывают свой отпечаток на своеобразие СФП-й в отличии от таковых при классических способах нагрева.

лазерный мощность приемник излучение тепловой

Сплавы на основе железа

В равновесном состоянии железоуглеродистые сплавы в зависимости от содержания углерода имеют различную структуру. б-Fe - ферит, имеет объемно-центрированную (ОЦК) решетку (9 атомов). В присутствии углерода, который образует с железом раствор внедрения и располагается в межузлиях решетки, образуется, в зависимости от содержания углерода, феритоперлитная (перлит - механическая смесь ферита и цементита), перлитная и перлитоцементитная структура. В заэфтектоидных сталях избыточный цементит выделяется по границам зерен и образует цементитную сетку.

При нагреве в сплавах протекают полиморфные превращения. При нагреве выше точки АС1 (727 °С - первая критическая точка) б-Fe превращается в г-Fe (аустенит, имеющий решетку в виде гранецентрированного куба (ГЦК), образованного 14-ю атомами и имеющую больший объем чем ОЦК б-Fe). При этом межузлия и в этой решетку заполняются углеродом.

При нагреве в межкритическом интервале АС1-АС3 в первую очередь превращение испытывает б-Fe перлита. Такие превращения называются неполными. При нагреве выше второй критической точки АС3 происходит полное превращение б-Fe в г-Fe. Этот процесс называется аустенизацией.

При лазерном нагреве протекают аналогичные превращения. Однако чрезвычайно высокие скорости нагрева входят в конфликт со скоростью диффузии углерода. В результате чего, при прочих равных условиях, может иметь место неполные превращения (неполная аустенизация). Для осуществления полной аустенизации необходимо или делать выдержку при высокой температуре или осуществлять нагрев до более высоких температур. Поскольку при лазерном нагреве сложно осуществлять выдержку. По этому принято смещать критические точки АС1 и АС3 на величину 80 - 100 °С в сторону увеличения.

Второй особенностью лазерного нагрева является то, что с увеличением скорости нагрева значительно уменьшается величина аустенитного зерна. Лазерный нагрев позволяет без опасности "перегрева" проводить аустенизацию во всем температурном интервале, включая температуру плавления ТПЛ.

При охлаждении железоуглеродистых сплавов протекают обратные г-Fe > б-Fe полиморфные превращения. При медленном охлаждении от температуры аустенизации наблюдается распад аустенита на феритоперлитную смесь (отжиг). При охлаждении со скоростями (касательная к С образной кривой) в точке МН (начало мартенситного превращения) переохлажденный аустенит превращается в мартенсит (при охлаждении ГЦК решетка г-Fe при МН перестраивается в ОЦК решетку б-Fe меньшего объема. При этом углерод, заполнявший ГЦК решетку, не успевает диффундировать и остается в ней, хотя она сама перестраивается в ОЦК решетку. Избыточный углерод искажает ОЦК решетку - меняется ее период (степень тетрагональности), увеличиваются внутренние напряжения, несколько увеличивается объем решетки, увеличивается твердость). Чем больше скорость охлаждения, содержание углерода в сплаве тем выше твердость мартенсита. При скоростях охлаждения промежуточных значение образуются промежуточные структуры: бейнит, троостит, сорбит.

Чтобы подавить диффузию углерода при охлаждении для стали с содержанием углерода 0,35 - 0,4 % и больше требуется скорость охлаждения 200 °С/с. При меньшем содержании углерода требуются значительно более высокие скорости охлаждения, которые получить обычными способами сложно. Поэтому малоуглеродистые стали, т.е. меньше 0,3 % не закаливаются, а предварительно подвергаются цементации.

При лазерном нагреве ввиду его локальности, а значит большого градиента температур, обеспечиваются скорости охлаждения за счет электронной теплопроводности значительно превышающие и составляют 105 - 106 °С/с, т.е. при таких скоростях охлаждения можно термический закаливать даже малоуглеродистые стали, которые обычно не закаливаются сталь 10, сталь 20 и др.

Мартенситное превращение, протекающее при таких скоростях охлаждения, имеет определенные особенности:

1. ввиду того, что при таких скоростях охлаждения практический полностью подавляется диффузия углерода, образующийся пересыщенный раствор углерода в б-Fe (мартенсит) имеет увеличенную степень тетрагональности решетки, а значит увеличенные внутренние напряжения, а значит и повышенную твердость;

2. мартенситные пластины (иглы) имеют разупорядоченную в пространстве ориентацию. Поскольку пластическая деформация это движение дислокаций, то и дислокации, располагаясь по границам зерен, имеют также сложную пространственную конфигурацию. Ввиду этого движению дислокаций при пластической деформации препятствуют границы зерен, т.е. имеет место упрочнение;

3. в легированных сталях или сплавах легирующие элементы всегда располагаются по границам зерен. Поскольку высокие скорости охлаждения способствуют формированию высокодисперсной и даже ультрадисперсной структуры, то происходит перераспределение легирующих элементов и равномерность их распределения на порядок становится выше (в среднем величина зерна 0,1…0,5 мкм);

4. поскольку сплавы являются многокомпонентными, многофазными, а каждая фаза имеет свои теплофизические свойства, в том числе коэффициент объемного температурного расширения, то при скоростном цикле "нагрев-охлаждение" в результате быстрого расширения и сжатия фазы испытывают наклеп (упрочнение за счет пластичного деформирования).

Все названные процессы, особенности и представляют собой механизм лазерного упрочнения материала.

Структура упрочненных углеродистых сталей

В общем случае микротвердость (твердость, определяемая как отношение нагрузки к площади отпечатка оставляемого в материале алмазной четырехгранной пирамидой при этом нагрузки составляют 20, 50, 100 г) зависит от содержания углерода в сплаве и скорости охлаждения.

Малоуглеродистые стали, имеющие в исходном состоянии феритоперлитную структуру или феритную при лазерном нагреве, претерпевают СФП.

При импульсном нагреве с плотностью энергии WE < 2,5 Дж/мм2 и длительности импульса порядка ф = 5 - 6 мс в поверхностном слое стали 20 образуется ЗТВ глубиной 20 -150 мкм. ЗТВ представляет собой зону с плохотравящейся структурой (3% спиртовой раствор НNO3). При слабом травлении она представляет собой белый слой на фоне темной протравленной феритоперлитной структуры. Структура зоны мелкоигольчатый мартенсит реечного типа, который является малоуглеродистым. Однако микротвердость его достаточно большая 5000 - 6000 МПа. Твердость распределена не равномерно ввиду имеющихся скоплений участков с повышенным содержанием углерода. Глубина слоя определяется длительностью импульса - при 6 мс не превышает 150 мкм.

При обработке с плотностями энергии больше WE > 2,5 Дж/мм2 в ЗТВ у поверхности появляется дополнительный слой имеющий структуру закалки из жидкого состояния. Структура имеет характерное дендритное строение (оси дендритов расположены в направлении теплоотвода). Под этим слоем располагается слой закалки из твердого состояния с характерной мартенситной структурой.

По твердости упрочненный слой, полученный на различных режимах (закалка из твердого состояния, закалка из жидкого состояния) практический не отличаются.

Обработка с оплавлением поверхности приводит к ухудшению шероховатости поверхности (на острых кромках может быть выплеск жидкого металла), что потребует применения последующей механической обработки.

При жестких режимах WE = 10 - 20 Дж/мм2 могут возникать микротрещины. Серия импульсов в одну точку приводит к перекрестализации структуры без существенного изменения глубины ЗТВ.

При обработке непрерывным излучением существенно увеличиваются временные возможности облучения. В этом случае образуются ЗТВ значительно больших размеров как по глубине, так и по ширину (сталь 20 zmax = 0,8 мм при Р = 1 кВт, V = 1 м/мин, d0 = 5 мм). При этих условиях оплавление поверхности отсутствует, ЗТВ имеет неравномерную структуру. Для увеличения равномерности распределения твердости такие стали целесообразно упрочнять при пониженных скоростях обработки (увеличить время облучения, время аустенизации) или даже обрабатывать с оплавлением поверхности.

Размещено на Allbest.ru