Помощь студентам в учебе
Изменение структуры и свойств покрытия на основе стали Р6М5 при воздействии импульсов лазерного излучения
|
Введение 9
1 Литературный обзор 11
1.1 Способы поверхностного упрочнения деталей 11
1.1.1 Азотирование 11
1.1.2 Поверхностная закалка 12
1.1.3 Напыление 13
1.1.4 Обработка высококонцентрированными источниками энергии 13
2 Методика и материалы исследования 17
3 Результаты эксперимента 18
4 Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения научных
исследований с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения 30
4.1 Потенциальные потребители результатов исследования 30
4.2 Технология QuaD 30
4.3 SWOT-анализ 32
4.4 Определение возможных альтернатив проведения научных
исследований 33
4.5 Планирование научно-исследовательских работ 35
4.5.1 Структура работ в рамках научного исследования 35
4.5.2 Определение трудоемкости выполнения работ 35
4.5.3 Разработка графика проведения научного исследования 36
4.6 Бюджет научно-технического исследования (НТИ) 40
4.6.1 Расчет материальных затрат НТИ 40
4.6.2 Расчет затрат на специальное оборудование для научных
(экспериментальных) работ 41
4.6.3 Основная и дополнительная заработная плата исполнителей темы 42
4.6.4 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления) 43
4.6.5 Накладные расходы 44
4.6.6 Формирование бюджета затрат научно-исследовательского проекта 44
4.7 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой,
бюджетной, социальной и экономической эффективности исследования 45
5 Социальная ответственность 48
Введение 48
5.1 Анализ вредных производственных факторов и обоснование
мероприятий по их устранению 49
5.1.1 Анализ шума 49
5.1.2 Анализ монотонного режима работы 49
5.1.3 Анализ освещения 50
5.1.4 Анализ микроклимата 51
5.2 Анализ опасных производственных факторов и обоснование
мероприятий по их устранению 53
5.3 Охрана окружающей среды 54
5.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 55
5.5 Законодательное регулирование проектных решений 55
Заключение 57
Список использованных источников 59
Приложение А 63
1 Литературный обзор 11
1.1 Способы поверхностного упрочнения деталей 11
1.1.1 Азотирование 11
1.1.2 Поверхностная закалка 12
1.1.3 Напыление 13
1.1.4 Обработка высококонцентрированными источниками энергии 13
2 Методика и материалы исследования 17
3 Результаты эксперимента 18
4 Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения научных
исследований с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения 30
4.1 Потенциальные потребители результатов исследования 30
4.2 Технология QuaD 30
4.3 SWOT-анализ 32
4.4 Определение возможных альтернатив проведения научных
исследований 33
4.5 Планирование научно-исследовательских работ 35
4.5.1 Структура работ в рамках научного исследования 35
4.5.2 Определение трудоемкости выполнения работ 35
4.5.3 Разработка графика проведения научного исследования 36
4.6 Бюджет научно-технического исследования (НТИ) 40
4.6.1 Расчет материальных затрат НТИ 40
4.6.2 Расчет затрат на специальное оборудование для научных
(экспериментальных) работ 41
4.6.3 Основная и дополнительная заработная плата исполнителей темы 42
4.6.4 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления) 43
4.6.5 Накладные расходы 44
4.6.6 Формирование бюджета затрат научно-исследовательского проекта 44
4.7 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой,
бюджетной, социальной и экономической эффективности исследования 45
5 Социальная ответственность 48
Введение 48
5.1 Анализ вредных производственных факторов и обоснование
мероприятий по их устранению 49
5.1.1 Анализ шума 49
5.1.2 Анализ монотонного режима работы 49
5.1.3 Анализ освещения 50
5.1.4 Анализ микроклимата 51
5.2 Анализ опасных производственных факторов и обоснование
мероприятий по их устранению 53
5.3 Охрана окружающей среды 54
5.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 55
5.5 Законодательное регулирование проектных решений 55
Заключение 57
Список использованных источников 59
Приложение А 63
Интенсивное развитие техники и технологий в области упрочнения деталей механизмов и машин способствует проведению широкого ряда исследований в материаловедении. В настоящее время особо актуальным является исследование поведения металлических материалов при облучении их поверхности концентрированными потоками энергии (КПЭ) - лазерным или электронным лучом.
Как показывают многочисленные исследования, воздействие КПЭ на поверхность металла в течение короткого промежутка времени за счет аустенитно-мартенситных превращений в приповерхностном объеме материала способствует повышению твердости, износостойкости, прочности и усталостной сопротивляемости поверхности [1-6].
Среди КПЭ в последние годы все большее предпочтение отдается лазерному излучению (ЛИ). Лазерная обработка обладает такими достоинствами, как быстрота, малая зона теплового воздействия, минимальные искажения поверхности, легкость управления, нет необходимости использовать вакуум, чистота обрабатываемой поверхности и др.
За рубежом данный метод все чаще применяется при обработке колес железнодорожных вагонов и основывается на повышении твердости обработанной поверхности феррито-перлитной стали за счет мартенситного превращения или за счет микролегирования упрочняющими элементами.
В России применение метода поверхностного упрочнения с помощью лазера особенно эффективно при обработке инструментальных сталей. Большинство исследователей в своих работах используют импульсное лазерное излучение с длительностью импульсов от нескольких милисекунд до фемтосекунд. Такое воздействие позволяет создавать большие градиенты температур на поверхности за счет быстрого теплоотвода от участка оплавления в нижние слои металла, а также позволяет управлять температурными полями приповерхностной зоны. К тому же создание
точечного упрочнения позволяет обрабатывать большие площади поверхностей без формирования хрупкого слоя, склонного к растрескиванию.
Изучение структурно-фазовых изменений в поверхностных слоях металлов позволяет сформулировать основные требования к энергетическим характеристикам ЛИ и определить оптимальные режимы воздействия лазером, необходимые для плавления или управления структурой.
В связи с недостаточным количеством сведений по влиянию импульсного лазерного излучения на поверхность инструментальных сталей типа Р6М5, широко применяемых в качестве упрочняющего покрытия деталей, целью данной работы является исследование влияния параметров режима импульсного лазерного воздействия на структуру и свойства покрытия на основе стали Р6М5.
Как показывают многочисленные исследования, воздействие КПЭ на поверхность металла в течение короткого промежутка времени за счет аустенитно-мартенситных превращений в приповерхностном объеме материала способствует повышению твердости, износостойкости, прочности и усталостной сопротивляемости поверхности [1-6].
Среди КПЭ в последние годы все большее предпочтение отдается лазерному излучению (ЛИ). Лазерная обработка обладает такими достоинствами, как быстрота, малая зона теплового воздействия, минимальные искажения поверхности, легкость управления, нет необходимости использовать вакуум, чистота обрабатываемой поверхности и др.
За рубежом данный метод все чаще применяется при обработке колес железнодорожных вагонов и основывается на повышении твердости обработанной поверхности феррито-перлитной стали за счет мартенситного превращения или за счет микролегирования упрочняющими элементами.
В России применение метода поверхностного упрочнения с помощью лазера особенно эффективно при обработке инструментальных сталей. Большинство исследователей в своих работах используют импульсное лазерное излучение с длительностью импульсов от нескольких милисекунд до фемтосекунд. Такое воздействие позволяет создавать большие градиенты температур на поверхности за счет быстрого теплоотвода от участка оплавления в нижние слои металла, а также позволяет управлять температурными полями приповерхностной зоны. К тому же создание
точечного упрочнения позволяет обрабатывать большие площади поверхностей без формирования хрупкого слоя, склонного к растрескиванию.
Изучение структурно-фазовых изменений в поверхностных слоях металлов позволяет сформулировать основные требования к энергетическим характеристикам ЛИ и определить оптимальные режимы воздействия лазером, необходимые для плавления или управления структурой.
В связи с недостаточным количеством сведений по влиянию импульсного лазерного излучения на поверхность инструментальных сталей типа Р6М5, широко применяемых в качестве упрочняющего покрытия деталей, целью данной работы является исследование влияния параметров режима импульсного лазерного воздействия на структуру и свойства покрытия на основе стали Р6М5.
В магистерской диссертации провели исследования влияния параметров режима импульсного лазерного воздействия на структуру и свойства покрытия на основе стали Р6М5.
В результате проделанных исследований выяснили, что на всех точках, полученных при лазерном воздействии на образец происходит формирование трех структурных участков - зоны оплавления, зоны закалки и зоны термического влияния, что способствует неравномерному распределению микротвердости на поверхности обработанного материала. Диаметр точек импульсного воздействия, измеренный до хорошо протравленного участка зоны термического влияния, с ростом пиковой мощности до 4,52 кВт монотонно увеличивается, при повышение мощности выше 4,52 заметно уменьшение диаметра пятна, что в значительной степени связано с большим углублением луча лазера в металл и увеличением доли испарения металла с поверхности. При использовании импульса 7 мс независимо от мощности лазерного луча существенного заглубления внутрь металла не происходит. Уменьшение длительности импульса при одновременном увеличении максимальной мощности излучения приводит к резкому уменьшению диаметра точки воздействия и росту глубины проплавления до 1396 мкм.
Средний уровень твердости обработанного ЛИ участка находится в пределах значения твердости стали Р6М5 после плазменной наплавки. Увеличение пиковой мощности лазерного излучения выше 4,05 кВт способствует повышению твердости обработанного участка на 10.. .15% по сравнению с твердостью стали Р6М5 в состоянии после наплавки. Режим с пиковой мощностью выше 4,05 кВт является наилучшим с точки зрения формирования структуры, изменения твердости и глубины воздействия лазера.
Обработка поверхности стали с помощью последовательного наложения импульсов ЛИ внахлест способствует зарождению и развитию трещин на участках воздействия лазером, при этом формируемые структуры не позволяют повысить твердость стали Р6М5 за счет периодического разупрочнения обрабатываемого материала в ЗТВ при перекрытии точек.
Подводя итог исследованию, можно сказать, что на сегодняшний день экономически не выгодно проводить лазерную поверхностную обработку инструментальных сталей типа Р6М5, это связанно с дороговизной лазерного оборудования, а так же с полученными результатами исследований, в ходе которых выяснили что, лишь на режимах с высокой мощностью можно получить наилучшие показатели с точки зрения формирования структуры и изменения твердости, однако эти показатели не значительно отличаются от состояния после плазменной порошковой наплавки.
В результате проделанных исследований выяснили, что на всех точках, полученных при лазерном воздействии на образец происходит формирование трех структурных участков - зоны оплавления, зоны закалки и зоны термического влияния, что способствует неравномерному распределению микротвердости на поверхности обработанного материала. Диаметр точек импульсного воздействия, измеренный до хорошо протравленного участка зоны термического влияния, с ростом пиковой мощности до 4,52 кВт монотонно увеличивается, при повышение мощности выше 4,52 заметно уменьшение диаметра пятна, что в значительной степени связано с большим углублением луча лазера в металл и увеличением доли испарения металла с поверхности. При использовании импульса 7 мс независимо от мощности лазерного луча существенного заглубления внутрь металла не происходит. Уменьшение длительности импульса при одновременном увеличении максимальной мощности излучения приводит к резкому уменьшению диаметра точки воздействия и росту глубины проплавления до 1396 мкм.
Средний уровень твердости обработанного ЛИ участка находится в пределах значения твердости стали Р6М5 после плазменной наплавки. Увеличение пиковой мощности лазерного излучения выше 4,05 кВт способствует повышению твердости обработанного участка на 10.. .15% по сравнению с твердостью стали Р6М5 в состоянии после наплавки. Режим с пиковой мощностью выше 4,05 кВт является наилучшим с точки зрения формирования структуры, изменения твердости и глубины воздействия лазера.
Обработка поверхности стали с помощью последовательного наложения импульсов ЛИ внахлест способствует зарождению и развитию трещин на участках воздействия лазером, при этом формируемые структуры не позволяют повысить твердость стали Р6М5 за счет периодического разупрочнения обрабатываемого материала в ЗТВ при перекрытии точек.
Подводя итог исследованию, можно сказать, что на сегодняшний день экономически не выгодно проводить лазерную поверхностную обработку инструментальных сталей типа Р6М5, это связанно с дороговизной лазерного оборудования, а так же с полученными результатами исследований, в ходе которых выяснили что, лишь на режимах с высокой мощностью можно получить наилучшие показатели с точки зрения формирования структуры и изменения твердости, однако эти показатели не значительно отличаются от состояния после плазменной порошковой наплавки.