Лазерная обработка заготовок из инструментальных сталей

Из стали 40Х

Влияние видов покрытия на лазерное упрочнение поверхности заготовки

Для обработки материалов

Параметры режима лазерного облучения, используемого

Активная среда	А, мкм	Режим работы	Мощность, Вт	v, Гц	т-10 ³_S с
Твердотельный лазер
Рубин	0,6943	Импульсный			0,3-6
Неодимовое стекло	1,06	То же			0,5-10
Алюмоиттриевый гранат с неодимом	1,06 1,06	То же Непрерывный		-	0,1-10 -
Газовый лазер
	10,6	Импульсный			0,1-1000
	10,6	Непрерывный		-	-
Аг	0,49	То же		-	-
Аг	0,51	То же		-	-
	0,337	Импульсный	-		0,01

Эффективность лазерного термоупрочнения зависит от способности материала превратить энергию лазерного излучения в тепловую. Количество поглощенной энергии зависит от отражательных свойств материала, наличия оксидных пленок, температуры и длины волны лазерного излучения. Чем меньше длина волны, тем лучше поглощается энергия. С уменьшением электрической проводимости и увеличением параметров шероховатости поглощение энергии лазерного излучения увеличивается; поглощающая способность материала повышается до 70 %.

Фосфатирование поверхности - наиболее эффективный способ увеличения поглощательной способности поверхности при лазерном облучении (табл. 9.7). При лазерной закалке центр закаленной зоны имеет черно-синий цвет, а края - серый.

Метод обработки поверхности	Толщина пленки, мкм	Состояние закаленной зоны металла
глубина, мм	микротвердость, МПа
Фосфатирование марганцевое	8 ... 10	0,43 ... 0,5	5000 - 8000
Воронение	5 ... 10	0,35 ...0,44
Цинковый фосфат	3 ...5	0,28 ... 0,35
Аморфный фосфат	1 ...2	0,2... 0,3
Алюмохромофосфатные покрытия	50 ... 80	0,4 ... 0,45
Черное хромирование	5... 10 1	0,35 ...0,45

Количество таких легируемых элементов, как хром, марганец или молибден, влияет на закаливаемость; повышение микротвердости в зоне лазерного влияния наблюдается у сталей при малой дозе легирования.

Обработку непрерывным лазерным излучением ведут при определенной скорости сканирования луча по поверхности. С ростом плотности мощности и уменьшением относительных скоростей перемещения луча скорости охлаждения падают. В результате закаленная структура отпускается и твердость уменьшается. Максимальная твердость поверхностного слоя будет при достаточно высокой скорости охлаждения. Однако при низких скоростях перемещения луча увеличивается глубина закаленного слоя. Следовательно, режимы лазерной обработки оптимизируют в зависимости от требуемых функциональных свойств. Оптимизация режимов лазерного облучения приведена на рис. 9.19 и 9.20 для заготовок из стали 40 ХН.

Упрочнение режущего инструмента локализовано в режущих кромках, Малообъем- ность кромки затрудняет теплоотвод в материал заготовки. Оптимальный режим импульсной обработки достигается при облучении энергией излучения на 2 ... 3 Дж ниже E_yv. При непрерывном излучении подбирается энергия для каждой марки стали, при которой обеспечивается небольшое оплавление поверхности заготовки. Предварительная обработка поверхности лазером, энергией на 5 ... 7 Дж меньше оптимальной, улучшает равномерность поглощения энергии при повторном облучении. Аустенитные и ферритные стали, не обнаруживающие -фазовые переходы, не подвергаются закалке лазером.

Рис. 9.19. Зависимость микротвердости Н_ц зоны нагрева от скорости v при интенсивности излучения 3530 (кривая 7); 5080 (кривая 2); 6272 (кривая 3) и 7938 Вт/

Рис. 9.20. Зависимость глубины z упрочненного слоя от скорости обработки v при интенсивности излучения 3530 (кривая 1); 5080 (кривая 2);6272 (кривая 3) и 7938 Вт/см² (кривая 4)

Лазерную закалку рекомендуется проводить в различных газовых средах (аргона, азота, углекислого газа). В одних случаях это предохраняет поверхность от обезуглероживания, в других, наоборот, насыщает углеродом, азотом и другими легирующими элементами.

Оптимальные режимы обработки заготовок из инструментальных стадей для лазерных установок серии «Квант» даны в твбл. 9.8.

При обработке фрез (из 8Х6ВФ, РФ1, Р6М5 и др.) лучом лазера их стойкость возрастает в 1,5-2 раза; заготовки из стали Р18Ф2К8М обрабатывают при плотности энергии 4 Дж/мм² и4 = 2мм (табл. 9.9).

Основные требования, предъявленные к стали для изготовления штампов, - высокая износостойкость, теплостойкость, ударная вязкость. Создание оптимальных свойств поверхности зависит от исходной микрогеометрии, твердости и т.д. (табл. 9.10).

Качество обработки штамповых сталей импульсным излучением можно повысить повторным облучением (табл. 9.11).

9.8.Режимы лазерной обработки на установках серии «Квант»

Материал заготовки, сталь	«Квант-16»	«Квант-18»
, Дж/	, Дж/				, Дж/	, Дж/
У8
У10						-	-	-	-	-
9ХС						-		-	-	-
ХВГ
ШХ15
Х12						-	-	-	-	-
Х12М
	-	-	-	-	-

9.9.Режимы облучении инструментальных сталей при коэффициенте перекрытия 0,5 и диаметре пятна лучаD= 2,2 мм