ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ПОТОКОВ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ АДГЕЗИОННОЙ СТОЙКОСТИ МЕТАЛЛООБРАБАТЫВАЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОСНАСТКИ.

Бровер А.В., Бровер Г.И., Кирпилянский Г.П., Процун Н.А.

Актуальной задачей современного машиностроения является применение высоких технологий упрочнения металлообрабатывающего инструмента и технологической оснастки, в частности, лазерной обработки, что позволяет целенаправленно изменять структуру материалов за счет направленной кристаллизации, дисперсионного упрочнения, армирования, химико-термической обработки и, как следствие,- получать специфические, нетривиальные комбинации физических, химических и механических свойств в поверхностных слоях.

Импульсная лазерная обработка основана на использовании для нагрева материалов тепловых источников высокой энергонасыщенности, плотность мощности которых составляет сотни МВт/м², а время действия находится в пределах миллисекундного диапазона. При этом достигаются гипервысокие (до 10⁶ град/с) скорости нагрева до закритических температур при наличии значительных (10⁷-10⁸ град/м) градиентов по глубине, обеспечивающих за счет отвода тепла “холодной” массой облучаемого материала охлаждение со скоростью 10⁴-10⁶ град/с. Это приводит к формированию полей термонапряжений, являющихся основным фактором получения высокой плотности линейных и точечных дефектов кристаллического строения. В результате крайне неравновесных тепловых процессов в приповерхностных объемах обрабатываемых сталей фиксируется закаленная зона, обладающая высокодисперсным кристаллическим строением и пониженной травимостью. Металлографический и рентгеноструктурный анализ показал, что лазерная обработка инструментальных сталей способствует образованию на поверхности изделий аустенитно-мартенситных структур с твердостью 9-11,5ГПа.

Для повышения работоспособности инструмента и технологической оснастки особое значение имеют такие методы поверхностного упрочнения, которые позволяют не только изменять структуру, твердость и теплостойкость поверхности, но и положительно влиять на адгезионную активность поверхностного слоя рабочей части изделий.

Исследовались возможности повышения эксплуатационной стойкости инструмента и оснастки, контактирующих с алюминиевыми сплавами, путем поверхностной обработки и легирования их рабочих кромок с использованием лазерного излучения. Образцы и инструмент из сталей Р6М5, Р18, Х12Ф1 подвергали стандартной объемной термообработке и последующей лазерной закалке на установке Квант-16 с плотностью мощности излучения 100-200 МВт/м². В ходе лазерной химико-термической обработки источником легирующих элементов или их соединений (С, WC) являлись твердые обмазки.

Процессы трения изучали на машине МИ-1М по схеме "диск - колодка" при следующих контролируемых условиях: линейная скорость скольжения 190 м/мин., средняя площадь контакта 200 мм². Контртело изготавливали из алюминиевых сплавов АД31 с твердостью НВ32, Д16 с твердостью НВ80 и АМГ6 с твердостью НВ90. Плоскости трения ориентировали перпендикулярно направлению кристаллизации упрочненной инструментальной стали. Повреждения и следы схватывания на поверхностях трения фиксировали с помощью микроскопа МБС-2.

Установлено, что наиболее простым и надежным критерием оценки склонности к схватыванию инструментальной стали и обрабатываемого материала является величина момента (или коэффициента) трения.

При контакте инструментальной стали с алюминиевыми сплавами достаточно высокой твердости (типа АМГ6) перенос алюминиевого сплава на сталь практически отсутствует, коэффициент трения при объемной термообработке стали сравнительно невысокий (0,1) и линейно повышается с ростом удельных нагрузок. Лазерная закалка и особенно лазерное легирование карбидами вольфрама способствуют понижению коэффициента трения до 0,075. Это связано с тем, что при лазерном нагреве на поверхности образцов формируются упрочненные слои металла глубиной 0,1-0,15 мм. Твердость облученных сталей достигает 9-11,5 ГПа, что в сочетании с их теплостойкостью, на 50-120^оС превышающей теплостойкость металла после объемной термообработки, способствует высокой износостойкости в условиях трения. Повышение износостойкости и снижение склонности к схватыванию упрочненных образцов обусловлено также множественным вплавлением дисперсных карбидов вольфрама из обмазок при лазерном легировании и текстурными эффектами в поверхностных слоях сталей, формирующихся в условиях направленного теплоотвода при лазерной обработке и приводящих к понижению коэффициента трения.

Дальнейшему улучшению антифрикционных свойств упрочненных образцов способствует последующий после лазерного легирования отпуск при 550^оС, что связано с уменьшением количества остаточного аустенита в упрочненных слоях при дополнительном нагреве и, следовательно, с повышением их твердости, а также с выделением из пересыщенных твердых растворов равномерно распределенных дисперсных карбидов упрочняющего действия. Отметим, что уменьшению схватываемости трущихся пар инструментальная сталь - алюминиевый сплав способствует формирующаяся при лазерной закалке, легировании, а также при дополнительном отпуске окисная поверхностная пленка.

На основании проведенных исследований установлен эффект повышения адгезионной стойкости инструментальных сталей путем проведения лазерной поверхностной обработки, что позволяет рекомендовать лазерную закалку и особенно лазерное легирование для повышения износостойкости, антифрикционных, противозадирных свойств рабочих кромок металлообрабатывающего инструмента и технологической оснастки.