Влияние параметров лазерной обработки на величину литого ядра и размер ЗТВ покрытий на основе быстрорежущей стали
|
Введение ......................................................................................................... 9
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР........................................................................... 11
1.1. Лазерный нагрев материала ..................................................................... 11
1.2. Поверхностная лазерная обработка ......................................................... 12
1.3.Лазерная закалка ......................................................................................... 13
1.4.Лазерное текстурирование ......................................................................... 21
1.5. Комбинированная обработка с применением лазера .............................. 23
1.6. Лазерная ударная обработка...................................................................... 25
1.7. Постановка задачи .................................................................................... 26
2. МАТЕРИАЛЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ...... 29
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ ............................................................ 35
4. ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ............................................................................ 39
4.1. Предпроектный анализ ............................................................................. 39
4.2.Описание главных, основных и вспомогательных функций,
выполняемых объектом ..................................................................................................39
4.3.Определение значимости выполняемых функций объектом .................. 41
4.4.Определение значимости функций ...........................................................................44
4.5.Анализ стоимости функций, выполняемых объектом исследования ........45
4.6.Построение функционально-стоимостной диаграммы объекта и
ее анализ .......................................................................................................................................47
4.7.Оптимизация функций выполняемых объектом ................................................478
5. СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ .................................................... 47
5.1. Производственная безопасность .............................................................. 49
5.1.1. Анализ выявленных вредных факторов ................................................ 49
5.1.2. Анализ выявленных опасных факторов ................................................ 57
5.2.Экологическая безопасность ..................................................................... 63
5.3.Безопасность в чрезвычайных ситуациях ................................................. 64
5.4.Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности ....... 67
Заключение …………………………………………………………………… 69
Список используемых источников……………………………………………71
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР........................................................................... 11
1.1. Лазерный нагрев материала ..................................................................... 11
1.2. Поверхностная лазерная обработка ......................................................... 12
1.3.Лазерная закалка ......................................................................................... 13
1.4.Лазерное текстурирование ......................................................................... 21
1.5. Комбинированная обработка с применением лазера .............................. 23
1.6. Лазерная ударная обработка...................................................................... 25
1.7. Постановка задачи .................................................................................... 26
2. МАТЕРИАЛЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ...... 29
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ ............................................................ 35
4. ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ............................................................................ 39
4.1. Предпроектный анализ ............................................................................. 39
4.2.Описание главных, основных и вспомогательных функций,
выполняемых объектом ..................................................................................................39
4.3.Определение значимости выполняемых функций объектом .................. 41
4.4.Определение значимости функций ...........................................................................44
4.5.Анализ стоимости функций, выполняемых объектом исследования ........45
4.6.Построение функционально-стоимостной диаграммы объекта и
ее анализ .......................................................................................................................................47
4.7.Оптимизация функций выполняемых объектом ................................................478
5. СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ .................................................... 47
5.1. Производственная безопасность .............................................................. 49
5.1.1. Анализ выявленных вредных факторов ................................................ 49
5.1.2. Анализ выявленных опасных факторов ................................................ 57
5.2.Экологическая безопасность ..................................................................... 63
5.3.Безопасность в чрезвычайных ситуациях ................................................. 64
5.4.Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности ....... 67
Заключение …………………………………………………………………… 69
Список используемых источников……………………………………………71
Объектом исследования являются образцы композиционного покрытия
на основе быстрорежущей стали (10Р6М5 и 10Р6М5 + 20 % WC).
Цель работы – исследование влияния параметров режимов точечного
оплавления импульсным лазером на величину литой зоны и размер ЗТВ ранее
сформированных покрытий на основе стали 10Р6М5.
Предметом исследования является диаметр литого ядра и величина зоны
термического влияния в зависимости от параметров режимов лазерной
обработки.
Методом дискретного лазерного оплавления поверхности покрытий
представляется возможным создавать на поверхности локальные зоны
определённых форм, размеров и свойств, которые будут воспринимать
основную нагрузку в процессе трения и, следовательно, увеличивать
износостойкость.
Введение
Поверхности пар трения работают в условиях высоких температур,
агрессивных сред, и испытывают при этом циклические, знакопеременные и
ударные нагрузки. При этом поверхностные слои материала подвергаются
процессам деформации, передеформации, окисления и разрушения.
Прочностные и геометрические свойства поверхности – ключевые
факторы, определяющие её износостойкость. Поэтому предварительной
подготовке поверхности перед введением ее в эксплуатацию уделяется особое
внимание. Поверхностная обработка – неотъемлемая часть технологического
процесса упрочнения деталей машин, оборудования и обрабатывающего
инструмента, которая позволяет увеличить долговечность и стойкость к
изнашиванию в 2 - 5 раз. Для повышения износостойкости широко
используются традиционные способы упрочнения: плазменно-дуговые методы
нанесения композиционных покрытий, механические методы поверхностной
обработки, термической и химико-термической обработки (ХТО).
В последнее время бурно развивается лазерная техника и технологии
поверхностной термической обработки. Высокоскоростной локальный
лазерный нагрев с последующим быстрым охлаждением в объём материала
позволяет получить мелкодисперсную неравновесную структуру с широким
комплексом свойств. При этом отсутствует механическое воздействие и
коробление обрабатываемого изделия, что в сумме с лёгкой автоматизацией и
быстрой окупаемостью оборудования, делает технологию лазерного
поверхностного упрочнения достойным конкурентом традиционным методам
обработки. Однако выбор параметров режима обработки поверхности лазером
является актуальной задачей данной технологии. Поэтому множество
исследований направлено на изучение закономерностей взаимодействия
лазерного излучения с конструкционными материалами.
Максимальный упрочняющий эффект от поверхностной лазерной
обработки удаётся получить в комбинированной технологии, когда лазерному10
нагреву предшествуют операции ХТО или нанесения покрытия.
Композиционные износостойкие покрытия на основе аустенитной (Fe-Cr-Ni,
Fe-Mn) и аустенитно-мартенситной (10Р6М5) матрицы с карбидными
включениями хорошо себя зарекомендовали при эксплуатации в условиях
высоких линейных скоростей и нагрузок. Главной особенностью данных
материалов является способность превращения аустенита в мартенсит в
процессе трения, что приводит к повышению их износостойкости. Однако в
покрытие порошком стали 10Р6М5 доля аустенита составляет 25…30% от
общего объема матрицы. Увеличение объёмной доли γ- фазы можно добиться
методом дискретного лазерного оплавления поверхности покрытия. Этим
способом представляется возможным создавать на поверхности локальные
зоны определённых форм, размеров и свойств, которые будут воспринимать
основную нагрузку в процессе трения.
На основании вышеизложенного целью данной работы является
исследование влияния параметров режимов точечного оплавления импульсным
лазером на величину литой зоны и размер ЗТВ ранее сформированных
покрытий на основе стали 10Р6М5.
К наиболее важным результатам данной работы можно отнести:
1. Подобраны параметры режимов лазерного облучения с точки
зрения величины литого ядра и ширины зоны термического влияния.
2. Построины зависимости диаметра литого ядра и ширины ЗТВ от
тока лазерного излучения и длительности импульса.
на основе быстрорежущей стали (10Р6М5 и 10Р6М5 + 20 % WC).
Цель работы – исследование влияния параметров режимов точечного
оплавления импульсным лазером на величину литой зоны и размер ЗТВ ранее
сформированных покрытий на основе стали 10Р6М5.
Предметом исследования является диаметр литого ядра и величина зоны
термического влияния в зависимости от параметров режимов лазерной
обработки.
Методом дискретного лазерного оплавления поверхности покрытий
представляется возможным создавать на поверхности локальные зоны
определённых форм, размеров и свойств, которые будут воспринимать
основную нагрузку в процессе трения и, следовательно, увеличивать
износостойкость.
Введение
Поверхности пар трения работают в условиях высоких температур,
агрессивных сред, и испытывают при этом циклические, знакопеременные и
ударные нагрузки. При этом поверхностные слои материала подвергаются
процессам деформации, передеформации, окисления и разрушения.
Прочностные и геометрические свойства поверхности – ключевые
факторы, определяющие её износостойкость. Поэтому предварительной
подготовке поверхности перед введением ее в эксплуатацию уделяется особое
внимание. Поверхностная обработка – неотъемлемая часть технологического
процесса упрочнения деталей машин, оборудования и обрабатывающего
инструмента, которая позволяет увеличить долговечность и стойкость к
изнашиванию в 2 - 5 раз. Для повышения износостойкости широко
используются традиционные способы упрочнения: плазменно-дуговые методы
нанесения композиционных покрытий, механические методы поверхностной
обработки, термической и химико-термической обработки (ХТО).
В последнее время бурно развивается лазерная техника и технологии
поверхностной термической обработки. Высокоскоростной локальный
лазерный нагрев с последующим быстрым охлаждением в объём материала
позволяет получить мелкодисперсную неравновесную структуру с широким
комплексом свойств. При этом отсутствует механическое воздействие и
коробление обрабатываемого изделия, что в сумме с лёгкой автоматизацией и
быстрой окупаемостью оборудования, делает технологию лазерного
поверхностного упрочнения достойным конкурентом традиционным методам
обработки. Однако выбор параметров режима обработки поверхности лазером
является актуальной задачей данной технологии. Поэтому множество
исследований направлено на изучение закономерностей взаимодействия
лазерного излучения с конструкционными материалами.
Максимальный упрочняющий эффект от поверхностной лазерной
обработки удаётся получить в комбинированной технологии, когда лазерному10
нагреву предшествуют операции ХТО или нанесения покрытия.
Композиционные износостойкие покрытия на основе аустенитной (Fe-Cr-Ni,
Fe-Mn) и аустенитно-мартенситной (10Р6М5) матрицы с карбидными
включениями хорошо себя зарекомендовали при эксплуатации в условиях
высоких линейных скоростей и нагрузок. Главной особенностью данных
материалов является способность превращения аустенита в мартенсит в
процессе трения, что приводит к повышению их износостойкости. Однако в
покрытие порошком стали 10Р6М5 доля аустенита составляет 25…30% от
общего объема матрицы. Увеличение объёмной доли γ- фазы можно добиться
методом дискретного лазерного оплавления поверхности покрытия. Этим
способом представляется возможным создавать на поверхности локальные
зоны определённых форм, размеров и свойств, которые будут воспринимать
основную нагрузку в процессе трения.
На основании вышеизложенного целью данной работы является
исследование влияния параметров режимов точечного оплавления импульсным
лазером на величину литой зоны и размер ЗТВ ранее сформированных
покрытий на основе стали 10Р6М5.
К наиболее важным результатам данной работы можно отнести:
1. Подобраны параметры режимов лазерного облучения с точки
зрения величины литого ядра и ширины зоны термического влияния.
2. Построины зависимости диаметра литого ядра и ширины ЗТВ от
тока лазерного излучения и длительности импульса.
В результате лазерного оплавления покрытий на основе
быстрорежущей стали форма ЛЯ принимает как округлый, так и овальный
вид. Причём для покрытия 10Р6М5 округлая форма облучённой зоны
наблюдается при малых значениях энергии излучения, а овальная – при
средних и больших (свыше 20 Дж). В покрытии сталь 10Р6М5 + 20% WC
овальная форма оплавленной зоны наблюдается при малых значениях
энергии излучения (10 Дж), при больших значениях энергии в большей
степени проявляется округлая форма ЛЯ.
2. Диаметр ЛЯ увеличивается с ростом силы тока излучения и
длительности импульса. Для покрытия 10Р6М5 рост диаметра ЛЯ
наблюдается от 850 до 1450 мкм при увеличении силы тока излучения от 100
до 140 А. При дальнейшем увеличении силы тока до 180 А роста диаметра
ЛЯ не наблюдается. В покрытии 10Р6М5 + 20% WC диаметра ЛЯ возрастает
от 600 до 1440 мкм пропорционально увеличению силы тока излучения от 70
до 180 А.
3. Ширина ЗТВ возрастает от 60 до 260 мкм при увеличении силы тока
излучения от 70 до 140 А. При дальнейшем увеличении силы тока излучения
рост величины ЗТВ не наблюдается.
4. Для лазерного комплекса ЛТА4-2 был проведён FAST – анализ и
построена функционально-стоимостная диаграмма. Выявлены явные
расхождения между функциональными и стоимостными показателями таких
элементов конструкции комплекса, как каркас установки, монитор и система
охлаждения.
5. Проведён анализ вредных и опасных факторов при работе с лазерным
излучением. Определено, что выполнение работ на лазерной установке
ЛТА4-2 относится к третьей категории тяжести труда. Рассмотрены меры
защиты от влияния лазерного излучения и вредных веществ на организм70
человека, а также основные меры безопасности при чрезвычайных
ситуациях.
быстрорежущей стали форма ЛЯ принимает как округлый, так и овальный
вид. Причём для покрытия 10Р6М5 округлая форма облучённой зоны
наблюдается при малых значениях энергии излучения, а овальная – при
средних и больших (свыше 20 Дж). В покрытии сталь 10Р6М5 + 20% WC
овальная форма оплавленной зоны наблюдается при малых значениях
энергии излучения (10 Дж), при больших значениях энергии в большей
степени проявляется округлая форма ЛЯ.
2. Диаметр ЛЯ увеличивается с ростом силы тока излучения и
длительности импульса. Для покрытия 10Р6М5 рост диаметра ЛЯ
наблюдается от 850 до 1450 мкм при увеличении силы тока излучения от 100
до 140 А. При дальнейшем увеличении силы тока до 180 А роста диаметра
ЛЯ не наблюдается. В покрытии 10Р6М5 + 20% WC диаметра ЛЯ возрастает
от 600 до 1440 мкм пропорционально увеличению силы тока излучения от 70
до 180 А.
3. Ширина ЗТВ возрастает от 60 до 260 мкм при увеличении силы тока
излучения от 70 до 140 А. При дальнейшем увеличении силы тока излучения
рост величины ЗТВ не наблюдается.
4. Для лазерного комплекса ЛТА4-2 был проведён FAST – анализ и
построена функционально-стоимостная диаграмма. Выявлены явные
расхождения между функциональными и стоимостными показателями таких
элементов конструкции комплекса, как каркас установки, монитор и система
охлаждения.
5. Проведён анализ вредных и опасных факторов при работе с лазерным
излучением. Определено, что выполнение работ на лазерной установке
ЛТА4-2 относится к третьей категории тяжести труда. Рассмотрены меры
защиты от влияния лазерного излучения и вредных веществ на организм70
человека, а также основные меры безопасности при чрезвычайных
ситуациях.