772

таллических порошков — до 15 кг/ч при размере частиц d = 40–120 мкм, керамических (Al2O3, ZrO2 и др.) порошков — до 7 кг/ч при d = 40–80 мкм. Ресурс работы катода для такого плазматрона более чем на порядок выше, чем для турбулентного плазматрона (свыше 100 ч).

На рис. 4.2 приведены фотографии плазменной струи для ламинарного (вверху) и турбулентного плазматронов одной мощности.

Рис. 4.2. Ламинарный (вверху) и турбулентный плазматроны

Покрытия формируются из отдельных частиц при условии, что время растекания и кристаллизации меньше времени наращивания последующего слоя. Скорости охлаждения частицы — до 107 К/с, плотность теплопотока в поверхность детали — до 108 Вт/м2. На рис. 4.3 приведены морфология и микроструктура границ раздела в условиях стабильного растекания и кристаллизации капель расплава.

Рис. 4.3:

а, б — поверхность застывшей капли (сплэт); в — поперечный шлиф сплэт-деталь с подплавом последней; г — поперечный шлиф ряда сплэтов в покрытии

Подплавление подложки в пятне ее контакта с растекающейся и затвердевающей частицей (рис. 4.3, в) приводит к перекристаллизации структуры основы и появлению фрагментов с внутренними границами раздела, обусловленными объемными процессами интенсивного массопереноса. Неравномерность нагрева и охлаждения внутренних объемов сплэтов при их взаимодействии в процессе формирования покрытия приводит к структурным неоднородностям вблизи границ раздела (рис. 4.3, г).

Адгезионная прочность плазменных покрытий — до 50 МПа (турбулентный плазматрон), до 120 МПа (ламинарный плазматрон). На рис. 4.4 приведен процесс плазменного упрочняющего напыления покрытия с низкими гидроабразивностью и кавитационным разрушением (состав Ni–Cr–B–Si–C) на гребной винт корабля. Такие покрытия имеют повышенный (в 3–4 раза) ресурс эксплуатации.

Рис. 4.4. Процесс плазменного напыления на гребной винт корабля

23

Широко применяют плазменное нанесение покрытий для упрочнения кромок режущего инструмента. Пример: нанесение упрочняющей фазы TiC в связке Ni–Сr. Содержание Cr — до 20 %, твердость — до 62 HRC.

Такие дуаплазматроны выпускаются промышленно и в ручном варианте. На рис. 4.5 приведен такой плазматрон мощностью 50 кВт, с диаметром сопла 8–10 мм.

Рис. 4.5. Ручной плазматрон мощностью 50 кВт

Большой практический интерес представляет класс ручных малогабаритных плазменных аппаратов для нанесения покрытий путем плазменного распыления проволочных исходных материалов. На рис. 4.6 приведен ручной электродуговой напылитель металлов ЭМ–14М.

Рис. 4.6. Ручной электродуговой напылитель металлов ЭМ–14М

Рабочий ток дуги — до 400 А, мощность в дуге — до 16 кВт, производительность по стали — до 10 кг/ч, по Al — до 12 кг/ч, масса аппарата — 2,3 кг, рабочий газ — воздух.

4.2. Плазменная резка

Для плазменной резки применяют тонкие плазменные струи с Wуд > 106 Вт/см2. Снижение диаметра плазменно-дугового сопла необходимо для уменьшения ширины реза. Самый технологичный и простой — воздушный однокамерный плазматрон с коаксиальными электродами, катод обычно — (Сu–Zr) сплав, анод — медный с водяным охлаждением. Мощность плазматрона — до 50 кВт, ø = 2–3 мм, расход воздуха — до 4 г/с, тепловой поток на расстоянии 10 мм от среза ~ 4·107 Дж/м2 час, Wуд ~ 1,2·106 Вт/см2.

Для этих же задач используют плазматроны на перегретом водяном паре, для которых Wуд ~ 2·107 Вт/см2.

Глубина реза с ростом скорости перемещения листа под струей снижается по экспоненте, с ростом Wуд — растет линейно.

При W ~ 50 кВт скорости реза 1–4 см/с при толщине листа до 15 мм.

Установки для плазменной резки делят на стационарные и малогабаритные (переносные). В табл. 4.1 приведены параметры ряда стационарных установок плазменной резки.

24

Самый узкий рез из известных методов резки имеет лазерная резка. Однако ее низкий КПД делает плазменную резку более экономичной, она также более проста.

Малогабаритные плазматроны для плазменной резки являются передвижными, оборудованы, как правило, ручными резаками, экономичны и относительно дешевы. Применение их разнообразно — нестандартный раскрой, резка листов, прутков и др.

В табл. 4.2 приведены параметры ряда малогабаритных промышленно выпускаемых плазменных резаков.

Таблица 4.2

Наиболее технологичным является плазменный резак «Алплаз», не требующий компрессора или дополнительного источника питания, кроме розетки. Температура дуги достигает 6 000 К, КПД близок к 90 %, разовая заправка — 60 г воды на 0,5 часа непрерывной работы.

4.3. Плазменная закалка

Принцип закалки — создание плазменной дуги между катодом и деталью — анодом. При движении детали происходит непрерывное движение анодного пятна диффузной привязки канала дуги. При диаметре анодного пятна 1–2 мм плотность мощности достигает Wуд ~ 109 Вт/м2. Высокоскоростной нагрев обрабатываемой зоны и последующее быстрое охлаждение теплоотводом в глубину металла формируют в поверхностном слое аустенитно-мартенситную структуру.

Для цилиндрической поверхности детали технология обработки заключается в формировании кольцевых дорожек с шагом смещения 0,6–0,8 от диаметра анодного пятна.

Регрессионный метод анализа опытов связывает глубину упрочнения h (мм) со скоростью перемещения анодного пятна V (мм/с), током дуги I (А), зазором между срезом сопла плазматрона и деталью δ (мм):

Технологически оптимальны режимы, когда h ~ допустимому износу и отсутствует последующая мехобработки. Типовой режим — I ~ 30 А, δ = 2–4 мм, V = 10 см/с.

Плазматрон работает на сжатой (Ar, воздух) дуге прямого действия, с соплом и обдувом ее защитным газом (СО2). Постоянство заданного зазора — важная технологическая задача, и стандартные методы ее авторегулировки просты. Параметры промышленной установки «Чермет»: глубина упрочнения 0,2–1,4 мм, производительность — до 1,5 см2/с, потребляемая мощность — 3 кВт, рабочий ток — до 60 А.

Такая обработка ведет к аморфизации поверхностного слоя. Аморфизация материала приводит к ориентационному уплотнению его макроструктуры, снижению концентрации дефектов и дислокаций за счет резкого повышения площади раздела между микрозернами. Это ведет к росту твердости и износостойкости покрытий. Для этого необходимо, чтобы выполнялось соотношение Wуд > 106 Вт/м2. Скорость перемещения анодного пятна такова, что при временах нагрева каждого мгновенного участка поверхности τн образуется тонкий слой подплава толщиной Xн, который при уходе пятна за счет перемещения детали затвердевает с высокой скоростью Vохл. В табл. 4.3 приведены значения Vохл для ряда металлов.

25

Высокие скорости охлаждения Vохл ≥ 106 К/с приводят к застыванию этого слоя Xн без кристаллизации (аморфный слой без кристаллической решетки). При Wуд < 106 Вт/м2 аморфизации нет, так как Vохл ~ Wуд2. В то же время τн ~ Wуд — 2, и рост Wуд ведет к уменьшению Xн ~ τн 0,5/Wуд. Поэтому для каждого материала необходима оптимизация по Wуд, δ и V.

Таблица 4.3

Ниже этого слоя до глубин 1–1,5 мм (сталь 70) находится область мартенсита с твердостью 800–850 HV.

Имеется класс импульсных плазматронов для закалки деталей. Такой вакуумный плазматрон (рельсотрон) разгоняет плазменный сгусток диаметром 5–6 см до скоростей 100 км/с, на поверхности детали за временя ≤ 10 мкс формируется ударно-сжатый слой, плотность мощности излучения которого в сталь сравнима с лазерной. В результате в поверхностном слое происходит аморфизация и микроперекристаллизация на глубинах 5–100 мкм. Для стали 40Х микротвердость слоя — до 14 ГПа.

Плазменная технология используется для получения уникальных покрытий из наночастиц. На рис. 4.7 приведена принципиальная технология этого процесса.

Рис. 4.7. Подготовка и осаждение покрытий из нанопорошков в плазме

Плазменная технология эффективно применяется для получения порошков, модифицированных наночастицами тугоплавких соединений, для последующего получения высококачественных покрытий (рис. 4.8).

Рис. 4.8. Получение порошков соединений, модифицированных наночастицами

На рис. 4.9 приведена схема плазменного синтеза широко востребованного на практике порошка TiN.

26

Из приведенных данных следует, что для, например, плавления мощность ИК–лазера на СО2 должна превышать мощность лазеров в видимом диапазоне частот более чем на порядок. Однако после начала нагрева эта разница с ростом температуры детали резко сокращается.

Динамика лазерного нагрева поверхности детали может быть рассчитана путем решения уравнения Фурье:

где qv — источник тепла; Cp — теплоемкость материала.

Для конкретных задач это уравнение решают численно, аналитические его решения для определенных условий приближенны и применяются редко.

Динамика нагрева поверхности определяется соотношением:

где а = К/ρC — коэффициент температуропроводности.

Основные фазовые превращения при лазерной резке и сварке — плавление и испарение. При достижении на поверхности Тпл граница расплава продвигается вглубь металла со скоростью, максимальное значение Vм которой:

где Qпл, ρ, C — скрытая теплота плавления, плотность и теплоемкость материала соответственно. Если расплав непрерывно удаляется (продувка), скорость Vм ~ const.

Если расплав остается, его Т растет до Ткип и выше. Возникает волна испарения, скорость движения которой:

где Qкип — скрытая теплота кипения материала.

С ростом I0 эта скорость приближается к скорости звука в материале. В пределе для металлов эта скорость V ~ 103–104 м/с при I0 > 108 Вт/см2.

5.2. Лазерная закалка сталей

Железо существует в γ-фазе 1183–1565 К, ГЦК и α-фазе (ОЦК), устойчивой выше и ниже интервала существования γ-фазы. При нагреве стали возможны:

–жидкая фаза;

–феррит (Ф) Feα (твердый раствор углерода С в α-фазе, 0,02 % при 1000 К, 0,06 % при 293 К);

–аустенит Feγ (C) (твердый раствор С в γ-фазе, 2 % при 1420 К, 0,8 % при 727 К);

–цементит (Ц) Fe3C (6,67 % С, ТПЛ = 1252 0С).

Основные структуры стали — аустенит А, мартенсит М (пересыщенный твердый раствор Feα (С)), перлит П (эвтектоидная смесь феррита и цементита).

Основные фазовые переходы в стали: Нагрев: П – А(Feα + Fe3C —> Feγ(C), Охлаждение: А – П, (Feγ(C) —> Feα + Fe3C, А – М(Feγ(C) —> Feα(С)),

М – П(Feα(С) —> Feα + Fe3C.

Полная закалка стали проходит при Тнагр > AC3, неполная закалка — при Т несколько выше АС1. При нагреве доэвтектоидная сталь переходит в (А + Ф), заэвтэктоидная — в (А + втор. Ц). При закалке со скоростями > критической скорости обратного мартенситного перехода > 373–1373 К/c идет превращение А→М, при неполной закалке А→ (М + Ф) (доэвтектоидные стали), заэвтектоидные стали необходимо закалять на полную закалку, цементит имеет высокую твердость, и в заэвтектоидных сталях полезен (инструмент), к тому же резкий рост у заэвтектоидных сталей при полной закалке остаточного аустенита снижает твердость. Сферический цементит повышает износостойкость стали, сетчатый цементит вреден (растет хрупкость), поэтому заэвтектоидные стали после закалки отжигают, сфероидизируя цементит. Итак, для деталей из доэвтектоидных сталей целесообразна полная закалка, для деталей из заэвтектоидных сталей — неполная закалка.

Для получения мартенсита надо иметь скорость охлаждения VЗ > Vкр в области температур фазового перехода А–М 770–920 К, ниже 570 К лучше охлаждать, наоборот, медленнее, для снижения остаточных напряжений.

При быстром охлаждении аустенит превращается в пересыщенный феррит (мартенсит) и вместо ОЦК (феррит) образуется тетрагональный мартенсит. Он имеет наиболее высокую из всех фаз стали

29

твердость (до 65 HRC), высокие внутренние напряжения и фазовый наклеп (при фазовом переходе А– М растет объем). Рост игл мартенсита быстр (до 1000 м/с), их размер — не больше размера зерна аустенита. Для эвтектоидных сталей Мн – Мк ~ 510–770 К.

Для технологического упрочнения деталей применяют лазерный расфокусированный сканирующий луч. Глубина упрочнения — до 0,5 мм, скорость нагрева Vн — до 104 К/с, Wуд ~ 104 Вт/см2, диаметр луча d ~ 1 см, мощность лазера > 1 кВт, наиболее пригоден для упрочнения лазер на СО2. Скорости сканирования составляют 1–10 см/с.

Проблемой при применении ИК лазеров (длина волны лазера на СО2 λ = 10,6 мкм) является низкое ε, для его повышения поверхность детали чернят (коллоидный графит, фосфат Mn, CuO, поликристаллический W и др.). Достоинства метода:

–низкие поводки вследствие локальности процесса упрочнения;

–возможность упрочнения тонких деталей;

–экологичность;

–отсутствие окисления поверхности детали вследствие быстроты процесса обработки.

С ростом Wуд скорость сканирования при одинаковой глубине закалки растет линейно (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Зависимость скорости сканирования (мм/с) от мощности пучка (Вт)

Достоинством лазерного упрочнения является образование на глубине до 0,2 мм остаточных сжимающих напряжений, что ведет к росту усталостной прочности и износостойкости детали.

При лазерной закалке отожженных сталей появляются зоны высокоуглеродистого аустенита около цементитных включений, т.е. получение однородной структуры стали проблематично из-за сравнимости времен диффузии углерода и выдержки нагретой зоны при Т > TAC1. Наиболее оптимальна обычная предзакалка таких деталей.

Для предварительно закаленных деталей лазерная закалка позволяет получить однородную структуру упрочненного слоя. На рис. 5.3 приведено распределение микротвердости по глубине поверхностного слоя после лазерной закалки предварительно закаленной детали из стали Ст 40. Видно, что при приближении к переплавленной лазером дорожке (штриховая линия) твердость резко падает из-за отпуска мартенсита, а затем снова резко растет в результате образования в глубинных слоях аустенита и превращения его в мартенсит при быстром теплоотводе в глубь детали.

Рис. 5.3. Распределение микротвердости по глубине поверхностного слоя после лазерной закалки (закаленная Ст 40)

30

5.3. Лазерное плавление, легирование, плакирование

При более высоких, чем при упрочнении, удельных мощностях реализуется плавление тонких поверхностных слоев металла. Этот расплав затем быстро кристаллизуется за счет теплосброса в массу металла. При этом реализуются скорости охлаждения до 106 К/с, происходит вплавление покрытия в поверхность детали. При поверхностном легировании расплавляют тонкий поверхностный слой, включая подложку, с последующим образованием легированного поверхностного слоя. Плакирование включает связывание более толстого поверхностного слоя с подложкой при нагреве сканирующим лазерным лучом. Основные технологические приложения:

–износоустойчивые покрытия на механический инструмент и лопатки турбин;

–антикоррозионные покрытия на сварочные швы и электроды;

–нанесение изображений (номера детали и др.);

–изменение электрических и магнитных свойств материалов.

Тонкие пленки металлов формируют на металлических подложках лазерным плавлением прессованных слоев порошков. При этом применяют сдвоенные импульсы обработки: первый — плавит, второй — обеспечивает приваривание пленки к поверхности детали.

5.4. Лазерная наплавка

При замене химико-термической обработки лазерной наплавкой экономятся энергоресурсы и снижается длительность технологического цикла.

В сравнении с электродуговой, газотермической и плазменной наплавкой лазерная наплавка имеет следующие преимущества:

–позволяет управлять свойствами наплавляемого слоя за счет оперативного изменения лигатуры и технологии;

–снижает температурные деформации;

–обеспечивает высокую адгезию наплавленного слоя с деталью;

–уменьшает припуск на финишную обработку детали;

–обеспечивает возможность высокой автоматизации процесса.

Инструментальные стали при наплавке достигают предельных величин стойкости быстрорежущих сталей за счет управления составом наплавляемого слоя и скоростью его кристаллизации. Так, биметалл из простой стали и слоя Р6М5 после наплавки с применением СО2–лазера и быстрой кристаллизации становится пластичным за счет снижения доли феррита, имеет структуру метастабильного аустенита, мартенсита и тонкодисперсных карбидов.

Ресурс работы такого инструмента возрастает в несколько раз.

Разработаны технологические процессы лазерной наплавки с применением шликерной обмазки или насыпки. Так, использование порошка Р6М5 размером 150–170 мкм на стали 65Г толщиной 2 мм при лазерной обработке обеспечивает проплавление основы при толщине покрытия до 1 мм. Микротвердость покрытия достигает 10 ГПа, в поверхностном слое — 11 ГПа. На рис. 5.4 приведена фотография дисковых пил, упрочненных по данной технологии.

Рис. 5.4. Дисковые пилы, упрочненные лазерной наплавкой

Разработаны технологические процессы многослойной наплавки. Послойное наращивание позволяет получать наплавленные слои до 10 мм без микродефектов с твердостью 63–65 HRC. На рис. 5.5 слева изображена фотография слоя, справа — распределение твердости по глубине образца. После стандартного трехкратного отпуска при 770 К твердость наплавленного слоя растет до 65– 67 HRC. Конечная структура — высоколегированная аустенитно-мартенситная сталь с включениями карбидов.

а)

31