Лазерная термообработка металлических поверхностей

Технологии термообработки прежде всего направлены на проведение процессов закалки, отжига, цементации и т.д. Рассмотрим эти процессы для стали и чугуна. При легировании Fe, например, углеродом точка плавления образуют вышеупомянутую диаграмму равновесия. Она показана на рис.2.1. Из диаграммы видно, что добавление углерода делает картину фазовых превращений более богатой. Однако мы ограничимся некоторыми, связанными с технологическим процессом закалки и отжига аспектами превращений. Ряд элементов (H, N, C, O) имеет атомные размеры сущест­венно меньше атома Fe. Поэтому растворение рассматривается как заполнение пустот (пор) между атомами Fe. Образуются так называемые "твердые растворы внед­рения". Рассмотрение кристалли­чес­ких конфигураций показывает, что g-фаза обладает большими по размеру пустотами по сравнению с a-фазой. Поэтому при добавлении C он лучше растворяется в g-фазе. Такой раствор называется аустенитным. Т.о. растворимость зависит от T. При передозировке, которая возникает в результате фазовых переходов g ® a, лишняя часть C выпадает в осадок (как соль в перенасыщенном водном растворе). Смесь a+ C называется ферритом. Но в твердом растворе осадок выделяется не в виде чистого графита, а в виде карбида железа Fe ₃ C, который имеет также название цементит. Кривая HG представляет собой границу растворимости в g-фазе. Аналогичную границу растворимости в a-фазе представляет собой кривая Oj. A ₃ H разделяет g -фазу и смесь (a + g)-фаз. При переходе через jH (723 ⁰C) осуществляется g ® a превращение. Смесь a-фазы с цементитом называется перлитом. Область левее точки H соответствует низкоуглеродистым сталям. Эти стали обладают высокой прочностью, поскольку здесь углерод лучше растворяется в g-фазе, чем в a-фазе.

Рис.2.1. Диаграмма равновесия системы железо-углерод.

Диаграмма на рис. 2.1 соответствует очень медленным температурным изменениям, когда «лишние» атомы успевают продиффундировать в пространство между зернами Fe. Перлит в этом случае представляет собой очень мягкий материал. При больших скоростях охлаждения аустенита атомы C остаются в междоузлиях решетки, но g ® a. Такой переход называется мартенситным переходом. Т.о. мартенсит в этом случае надо рассматривать, как перенасыщенный твердый раствор углерода в a-железе, в котором атомы углерода в зависимости от скорости охлаждения частично упорядочены. В результате образуется искаженная кубическая решетка, что обеспечивает высокую твердость и прочность мартенсита. Минимально необходимая скорость охлаждения при этом 10¸100 °K/с.

Рис.2.2. Зависимости времени начала (1) и окончания (2) структурного перехода в стали (0,9 % C; 0,3 % Mn) g ® a.

Т.о. для закалки необходимо нагреть элемент объема до T _g, а затем быстро охладить до T _a.

Очевидно, что в условиях медленного охлаждения и подбора режима дополнительного подогрева можно проводить и лазерный процесс отжига (отпуска) металла, при котором переход от смеси (g + a) ® a может осуществляться с более высокими скоростями. Однако, такой процесс будет захватывать не весь объем образца, как при обычных методах, а только приповерхностный слой.

Цементацией называют процесс упрочнения поверхности стали при нагреве в атмосфере азота. Лазерная технология нагрева поверхности дает возможность провести цементацию быстро, но однако на малых глубинах.

аморфизация получение не кристаллической структуры типа a, b, g, а получение стекловидной структуры. Повышает прочность и твердость поверхности, но и придает ей новые физические и химические качества. В частности, существенно повышается коррозионная стойкость.

Для достижения такого превращения необходимо провести охлаждение из жидкой фазы с очень высокими скоростями.

Кристаллическая фаза, соответствует более плотной упаковке атомов, причем максимальна для Fe -системы, находящейся в a-фазе. Если же каким-либо из способов помешать процессу кристаллизации при достаточно быстрой заморозке образуются пустоты вследствие хаотического расположения атомов. В этом случае зависимость удельного объема от T при заморозке изменяется не скачком, как в переходах 1-го рода, а изломом, что соответствует переходу второго рода. Температура T _g1, при которой наблюдается излом, называется температурой стеклования. Чем выше скорость охлаждения, тем выше удельный объем. Поэтому и переход к аморфной структуре происходит при более высоких T _g1. Т.о. процесс аморфизации является сугубо неравновесным процессом и определяется кинетикой перестройки атомной структуры.

Для обеспечения необходимой производительности процесса лазерный луч тем или иным способом сканируют по поверхности детали. Соответствующее уравнение теплопроводности при этом:

(2-1)

с граничными условиями

, , (2-2)

где u – скорость движения луча по поверхности в направлении x; a – коэффициент поглощения света; I - плотность мощности; r – плотность вещества; С – удельная теплоемкость; К – коэффициент теплопроводности.

Оценим глубину закалки из качественных соображений.

.

Поскольку время остывания примерно равно времени прохождения волны охлаждения через нагретую зону, то оно близко к d /u. Глубину закалки h _з определим из (2-5), полагая, что для этого необходимо нагреть элемент объема до T _g:

.

Дата добавления: 2015-06-27