Laser thermal hardening of gear wheels manufactured from powder materials

Full Text

Введение Работа по оптимизации технологических процессов не прекращается. Постоянно требуется улучшение существующих технологий [1; 2] и создаются новые с целью снижения финансовых и временных затрат на получение конечного продукта. Процесс изготовления зубчатых колес традиционными методами являются весьма трудо- затратными. Альтернативным вариантом получения заготовок для зубчатых колес является порошковая металлургия (ПМ). ПМ обладает рядом преимуществ перед классическими способами получения заготовок зубчатых колес [3; 4]. Среди них следует выде- лить коэффициент использования сырья, близкий к единице, и значительное упрощение меха- нической обработки заготовки либо полное избавление от данной операции. Среди имеющихся разнообразных способов обработки металлов ПМ занимает свое особое место, так как позволяет не только производить изделия различных форм и назначений, но и создавать принципиально новые материалы, получить которые иным путем крайне трудно или вообще невозможно. ПМ успешно конкурирует с литьем, обработкой давлением, резанием и другими мето- дами получения изделий, дополняя или заменяя каждую из них. Являясь одной из молодых отраслей производства порошковая металлургия одновременно и есть древнейший способ получения изделий. Процесс порошковой металлургии имеет много преимуществ по сравнению с другими технологиями формования металлов давлением, такими как ковка, литье металла или механическая обработка. Во-первых, ПМ выделяется своей экономической эффективностью [5], это выражается в значительном сокращении постпроизводственных процессов, что существенно снижает потери металла в производстве и, следовательно, снижает общие затраты. Кроме того, процесс имеет более низкое энергопотребление по сравнению с другими технологиями производства. Во-вторых, ПМ позволяет обеспечить уникальность продукции благодаря высокой гибкости, то есть возможно адаптирование сплавов и физических характеристик в соответствии с требованиями. Производя детали с повторяемыми однородными структурами материала, процесс порошковой металлургии позволяет изготавливать конструкционные металлические компоненты с высокой точностью и согласованностью механического поведения для широкой области применения [5-7]. Порошковая металлургия используется для изготовления уникальных материалов с индивидуальными свойствами, которые невозможно достичь, используя классические способы плавления или формования изделий другими методами [8; 9]. Это позволяет получать композитные материалы из металлов, которые было бы невозможно смешивать иными методами, и обрабатывать материалы с высокой температурой плавления. Важнейшим преимуществом порошковой металлургии является гибкость, которая включает в себя возможность контроля пористости, регулирования параметров прочности, позволяет достичь в зависимости от функциональной особенности изделия желаемых изотропных и анизотропных свойств, также обладает уникальными магнитными свойствами и высокими значениями износостойкости, высокой повторяемостью и точностью при серийном производстве. Методом порошковой металлургии возможно и изготовление колес зубчатой передачи, которые являются неотъемлемой частью огромного числа конструкций. Основными проблемами изготовления зубчатых колес традиционными методами являются высокая стоимость и сложность их изготовления. В снижении стоимости изготовления способны помочь технологии порошковой металлургии. Вдобавок дополнительным способом снижения экономических затрат на изготовление и замену вышедших из строя зубчатых колес является повышение износостойкости и, соответственно, долговечности их контактных поверх- ностей путем объемного либо локального упрочнения. В настоящее время известно множество методов упрочнения зубчатых колес, основными из которых являются закалка, улучшение, цементация, азотирование, нитроцементация, накатывание, электромеханическая обработка, цианирование, ультразвуковая обработка. И хотя некоторые из перечисленных методов имеют достаточно хорошие показатели, общим недостатком каждого из них является образование на поверхности, вследствие термических или других видов воздействия, хаотичных, случайно расположенных микрорельефов, которые в процессе работы, особенно в период приработки, изнашиваются наиболее интенсивно, образуя абразивные частицы и снижая поверхностную прочность материалов. Другим недостатком большинства методов упрочнения зубчатых колес является появление необходимости последующей (финишной) механической обработки ввиду температурных деформаций. Для зубчатых колес зачастую устанавливаются высокие квалитеты точности, которые не позволяют применять изделия даже с незначительными деформациями. Необходимость проведения финишной обработки после операции упрочнения, помимо того, что это дополнительная операция, требует наличия специали- зированного дорогостоящего инструмента, способного обрабатывать поверхности с твердость 50 HRC и более. Лазерное термоупрочнение (ЛТУ) [11], за счет локальности и времени нагрева, позволяет практически полностью избежать данных недостатков. Важно заметить, что зубчатые колеса после операции ЛТУ не нуждаются в дополнительной обработке, так как температурные деформации [12] от процесса ЛТУ находятся в диапазоне от 5 до 100 мкм. К преимуществам технологии лазерного термического упрочнения также необходимо отнести низкое время обработки [13] (сам процесс обработки зуба длится несколько секунд, после чего происходит переход на другой зуб и при этом достигаются высокие значения твердости (более 50 HRC). Лазерная закалка обеспечивает высокие скорости нагрева, которая сводит к минимуму риск деградации основного материала. Самозакалка основана на отводе тепла от поверхности в сердцевину детали путем теплопроводности вместо обычного охлаждения распылением воды [14]. Как и любая технология, лазерное термоупрочнение обладает рядом недостатков и огра- ничений, среди которых наиболее значимыми являются: ⎯ высокие требования к качеству упрочняемой поверхности и к идентичности геометрических размеров изделий из одной партии; ⎯ необходимость осуществлять подбор параметров упрочнения (скорость обработки, мощность лазерного излучения, размер пятна) для каждой позиции номенклатуры изделий, в зависимости от материала, размера зубьев и т.д. Необходимо заметить, что влияние данного фактора постоянно снижается за счет наработки базы данных режимов обработки конкретных материалов и сложных поверхностей. Несмотря на эти недостатки, ЛТУ является одной из наиболее перспективных [15] тех- нологий локального повышения механических свойств изделий. Одним из недостатков изделий, изготовленных методами порошковой металлургии, является их высокая склонность к коррозии, обусловленная высокой пористостью после спекания. Микропоры в деталях, изготовленные методом порошковой металлургии, могут приводить к ухудшению характеристик, вплоть до их полной непригодности в эксплуатации. Для уменьшения пор в деталях увеличивают их плотность, давление при прессовании, уменьшают размеры частиц порошка [16]. Образцы зубчатого колеса (рис. 1) изготовлены методом порошковой металлургии. Изделия, полученные из порошковых материалов, как правило, имеют микродефекты (несплошности, поры), что вызывает ряд нерешенных вопросов при обработке. Пористые материалы более склонны к оплавлению, чем изделия из металла, изготовленного по другим технологиям (литье, прокат). Это связано с тем, что наличие микродефектов в основном металле способно локально снизить теплопроводность, что приводит к местному перегреву и, соответственно, оплавлению. Рис. 1. Внешний вид исследуемых зубчатых колес И с т о ч н и к : фото Д.А. Разина Figure 1. The appearance of the investigated gears S o u r c e : photo by D.A. Razin 1. Методы исследования Важнейшим критерием повторяемости результатов при лазерном термическом упрочнении является соответствие элементного состава обрабатываемого изделия, поэтому образцы предварительно прошли контроль химического состава с помощью лазерно-искрового эмиссионного спектрометра «Эланик». Для упрочнения образцов был использован роботизированный комплекс сварки и термоуп- рочнения, включающий в себя 6-осевой про- мышленный робот компании Fanuc, лазерную головку, 2-осевой позиционер и иттербиевый волоконный лазер производства ООО НТО «ИРЭ-Полюс» мощностью 5 кВт. При проведении экспериментальных работ были выбраны два вида зубчатых колес, выпол- ненных из порошкового материала: косозубое (рис. 1, a) и прямозубое (рис. 1, б). Оценка наличия оплава поверхности зубчатых колес проводилась методом визуального контроля. Образцы, на поверхности которых были обнаружены следы оплава, не допускались к дальнейшему исследованию. Критерием качества упрочнения были выбраны следующие показатели: отсутствие оп- лава кромок, глубина и твердость упрочненной зоны. Глубина упрочнения оценивалась путем проведения металлографических исследований на микроскопе LEICA DM ILM, в ходе которых выбранное поперечное сечение образца проходило пробоподготовку, а затем осуществлялась химическая обработка микрошлифа в четырехпроцентном нитале для выявления очертания зоны упрочнения. Замеры микротвердости проводились на ПМТ-3 на шлифе образца до осуществления химического вытравливания упрочненной зоны во избежание погрешности, вносимой раствором кислоты. 2. Результаты исследования В ходе выполнения исследовательской работы была проведена серия экспериментов по лазерному термоупрочнению. В рамках проведенных экспериментов были отобраны наиболее приемлемые три режима обработки, которые удовлетворяли проведенному визуальному контролю (отсутствовало оплавление). Рис. 2. Демонстрация зон замера микротвердости на образцах зубчатых колес И с т о ч н и к : общая разработка авторов статьи Д.А. Разина и К.А. Фролова Figure 2. Demonstration of microhardness measurement zones on gear samples Source: general development of the authors of the article D.A. Razin and K.A. Frolov Рис. 3. Металлографические снимки образцов после травления, красной пунктирной линией выделена зона температурных структурных превращений И с т о ч н и к : общая разработка авторов статьи Д.А. Разина и К.А. Фролова Figure 3. Metallographic images of samples after etching, the zone of temperature structural transformations is marked with a red dotted line S o u r c e : general development of the authors of the article D.A. Razin and K.A. Frolov Замер микротвердости производили в нескольких направлениях с шагом в 100 мкм от края зуба. Для оценки глубины зоны упрочнения, от каждого замера микротвердости проводился перпендикуляр к плоскости, подверженной лазерному излучению. На рис. 2 указаны зоны замеры микротвердости образцов зубчатых колес после лазерного термоупрочнения, выполненных из порошкового материала. На рис. 3 представлены металлографические снимки образцов после операции химического травления в 4 %-ном нитале, пунктирной линией выделена граница температурных структурных изменений. Образцы в состоянии поставки имели значения твердости ниже 30 HRC. После лазерной обработки на поверхности значения твердости значительно возросли. На исследуемых образцах зубчатых колес, изготовленных методом порошковой металлур- гии с обработкой в виде лазерного термоупрочнения, значение твердости упрочненного слоя лежит в диапазоне от 55 до 65 HRC на глубину до 2800 мкм (рис. 4). На рис. 4 представлен усреднённый график распределения твердости на образцах зубчатых колес после упрочнения. Рис. 4. График распределения микротвёрдости по глубине упрочненной зоны И с т о ч н и к : общая разработка авторов статьи Д.А. Разина и К.А. Фролова Figure 4. Graph of distribution of microhardness over the depth of the hardened zone S o u r c e : general development of the authors of the article D.A. Razin and K.A. Frolov Образцы зубчатых колес удалось упрочнить без значительного изменения геометрических параметров зубьев и, таким образом, удовлетворить требованиям визуально-измерительного контроля, при том, что модуль исследуемых зубьев составлял 1,25. Далее упрочненные опытные образцы были направлены индустриальному партнеру для про- ведения эксплуатационных испытаний, таких как долговечность и износ. Заключение Подводя итог выполненной работе, можно сделать следующие выводы: 1. Порошковую металлургию можно считать практически безотходным производством, также она имеет ряд преимуществ, которые были описаны в работе, перед традиционными методами обработки зубчатых колес. 2. Предложенный в данной работе метод упрочнения зубчатых колес может быть применим и должен быть использован в определенных условиях. 3. Локальная закалка методом ЛТУ может повысить механические характеристики зубчатых колес. В работе показана возможность локального достижения твердости контактных поверхностей зубчатых колес, изготовленных из порошковых материалов до 55-65 HRC при изначальных значениях до 30 HRC в состоянии поставки. 4. Снижение пористости исходного порошкового материала позволило бы существенно расширить область технологических режимов, потенциально пригодных для обработки. Настоящая работа доказывает возможность применения лазерного термоупрочнения в порошковой металлургии, а также указывает на возможные проблемы применения технологии лазерного термического упрочнения зубчатых колес, изготовленных методами порошковой металлургии.

About the authors

Denis A. Razin

National University of Science and Technology “MISIS”

Author for correspondence.
Email: denisrazintv@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-9506-2540

Postgraduate student of the Department of Physical Materials Science, Institute of New Materials and Nanotechnologies

Moscow, Russian Federation

Iliya S. Pechnikov

Vladimir State University named after Alexander and Nikolay Stoletovs

Email: pechnikov@laser33.ru
ORCID iD: 0009-0003-6727-8525

Postgraduate student of the Department of Thermal Engines and Power Plants, Institute of Mechanical Engineering and Automobile Transport

Vladimir, Russian Federation

Kirill A. Frolov

Vladimir State University named after Alexander and Nikolay Stoletovs

Email: golegoga33rus@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-8691-8151

Postgraduate student of the Department of Functional Analysis and Its Applications, Institute of Applied Mathematics, Physics and Informatics

Vladimir, Russian Federation

Alexander B. Lyukhter

Vladimir State University named after Alexander and Nikolay Stoletovs

Email: 3699137@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-1523-0637

Candidate of Technical Sciences, Adviser to the Rector's Office, Director of the Scientific and Educational Center for the Implementation of Laser Technologies

Vladimir, Russian Federation

References

Supplementary files