Технические возможности упрочнения инструмента и оснастки концентрированными источниками нагрева - лазером, плазмой с предварительным карбонитрированием в активированных древесноугольных смесях

При проведении зонной термической обработки тонких режущих кромок инструмента, поверхностей контактного износа оснастки и конструкционных деталей вакуумный нагрев и химико-термическая обработка открывают новые возможности повышения эксплуатационных характеристик.

Вакуумная термическая и химико-термическая обработка перед лазерным упрочнением существенно влияет на свойства высоколегированных сталей, например порошковых быстрорежущих, в зависимости от проведения лазерного нагрева с оплавлением или без оплавления поверхности при удельных подводимых мощностях 104…108вт/см2.

Разработанная технология лазерного упрочнения деталей технологических источников плазмы (ТИП), катодных деталей электрических реактивных двигателей малой тяги (ЭРД МТ) и технологии лазерной обработки мелкоразмерного специального инструмента и оснастки из порошковых быстрорежущих сталей применительно к приборному экспериментальному производству.

В таблице 1 приведён химический состав, размеры заготовок при изготовлении мелкоразмерных резцовых вставок, режущих элементов ротационного резания термостойкой керамики, а также некоторых деталей ЭРД МТ.

Таблица 1- Химический состав заготовок для изготовления режущих элементов ротационного резания

Сталь	Изготовляемая деталь	Содержание элементов, %
		С	Мо	W	Cr	V	Mп	Si
Пластины Р6М5-МП	Резцовые вставки, электроды	0,81	5,33	6,09	4,22	1,70	0,28	0,23
Р6М5-П, серебрянка ∅ 6	Микрорезцы и вставки	0,78	5,41	5,89	3,94	1,82	0,19	0,21

Примечание – сера и фосфор менее 0,014%

Одновременно с инструментом, деталями катодов изготовляли и обрабатывали образцы для металлографического анализа, механических испытаний и рентгеноструктурного анализа.

Вакуумную термическую и химико-термическую закалки перед лазерной обработкой проводили в колпаковых печах СГВ-2.4/15-И2 с расположением инструмента на этажерочных приспособлениях и на пластинах из алюмооксидной керамики ВК-94-1, а вакуумное карбонитрирование вели в твердых активизированных карбюризаторах в модернизированных печах СШОЛ-ВНЦ. Режимы предварительной вакуумной термической и химико-термической обработки приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Режимы предварительной вакуумной термической и химико- термической обработки

Сталь	Режимы вакуумной химикотермической обработки			Свойства поверхности
	t зак. ,0C	τ выд. , мин.	Vохл.0С/с	Твердость ,HPC 3	Оптические
					А	Е
РОМ6Ф3-	1180	4,0-4,5	1,3-1,5	61-62	0,61	0,55
МП	1200	4,0-4,5	1,5-1,8	60-61	0,62	0,57
Р6М5-МП Р6М5-П	1200	4,0-4,5	1,5-1,8	59-61	0,60	0,51
РОМ6Ф3-	940	3,5-4,0	20-25	63-64	0,74	0,69
МП	940	3,5-4,0	20-25	61-64	0,77	0,64
Р6М5-МП Р6М5-П	940	3,5-4,0	130-150	62-64	0,79	0,70

Примечание – закалка 1180-12000С в колпаковой печи СГВ, закалка 9400С после окончания карбонитрирования в печи СШОЛ-ВНЦ, охлаждение в реторте и переносом в масло;

– отпуск в печи СГВ без разгерметизации 5200С, а для карбонитрированных 350-3700С в шкафах СНОЛ-3.3.3./3,5,1,5 часа

– отпуск в печи СГВ без разгерметизации 5200С, а для карбонитрированных 350-3700С в шкафах СНОЛ-3.3.3./3,5,1,5 часа

Для лазерной обработки использовали установку "Квант-16" с приспособлениями для вращения и линейного перемещения с различной скоростью обрабатываемых образцов и деталей. На рисунке 1 а показаны схемы обработки лазером кольцевых деталей и инструмента, на рисунке 1 б приведен внешний вид зон лазерного воздействия и оплавления при различных условиях обработки.

Рис. 1 а - - схемы обработки лазером кольцевых деталей и инструмента

б)                                             в)

Рис. 1б, в б) - приведен внешний вид зон лазерного воздействия и оплавления при различных условиях обработки, в) - количество аустенита в слоях 0,12-0,18 мм после охлаждения на воздухе или в токе аргона составляет 35-40%, четкой границы и подслоя повышенной травимости при переходе к основному металлу не наблюдаются

В таблице 3 приведены свойства порошковых сталей при лазерной обработке с оплавлением поверхностного слоя.

Таблица 3 – Свойства порошковых сталей при лазерной обработке с оплавлением поверхностного слоя

Сталь	Лазерная обработка	Микротвер дость,	Тип карбидов, структура	σ изг. , Н/мм2	А б.н , Дж/см2
РОМ6Ф3-МП	Диаметр пятна	970-990	М 6 С,	3300	25
Р6М5-МП	0,4мм оплавление	1080-1100	МС,М 2 С	3400	28
Р6М5-П Вакуумная закалка	при скорости сканирования 5мм/с, аргон	1002-1045	мартенсит, аустенит	3600	29
РОМ6Ф3-МП	Два прохода с	890-920	М 6 С,	2900	18
Р6М5-МП Р6М5-П	перекрытием 0,6мм, скорость	870-900	МС, М 7 С 3 ,	3000	20
карбонитриро вание, закалка из вакуумной реторты	сканирования 3мм/с, воздух	845-870	М 23 С 6 , мартенсит, аустенит	3100	22

Металлографическим     анализом     установлено     наличие светлотравящихся слоев различной конфигурации при лазерной обработке всех испытанных порошковых быстрорежущих сталей. Микроструктура зон лазерного упрочнения приведена на рисунке 1в количество аустенита в слоях 0,12-0,18 мм после охлаждения на воздухе или в токе аргона составляет 35-40%, четкой границы и подслоя повышенной травимости при переходе к основному металлу не наблюдаются как до отпуска, так и после отпуска при температурах 350-5200С. На рисунке 1 г показано изменение твердости по толщине слоя лазерной обработки непосредственно после охлаждения от температур оплавления и после отпуска.

Рис. 1 г - график изменения микротвердости по толщине слоя лазерной обработки непосредственно после охлаждения от температур оплавления и после отпуска стали Р6М5-МП 1- после отпуска при 520 0 С, 30мин; 2 - после обработки лазером; 3 - после определения теплостойкости при 620 0 С.

Как показали результаты испытаний, при лазерной обработке предварительно закаленных и карбонитрированных в вакууме сталей Р6М5-МП, Р6М5-П формируются слои толщиной 100-250 мкм с повышенной твердостью, износостойкостью и эрозионной стойкостью. При этом прочностные характеристики при статических и динамических испытаниях не снижаются в сравнении с обычно закаленными и отпущенными сталями. Стабильность распределения зоны повышенной твердости по всей протяженности лазерного сканирования, а также глубины слоев структурных превращений повышается за счет лучших оптических свойств поверхности деталей и инструмента после вакуумной термической обработки.

При практической оценке износостойкости упрочненных лазером сталей Р6М5-МП, Р6М5-П проводили механическую обработку тонкостенных керамических изоляторов из боркремнийнитридной керамики БГП, БГП-10 при скоростях резания до 40 м/мин, глубинах резания 0,3-0,5 мм и при поперечных подачах 0,02-0,03 мм-ход. Сравнительная износостойкость резцовых вставок из предварительно закаленных в вакууме и упрочненных лазером сталей приведена в таблица 4, здесь же показаны данные по стойкости аналогично обработанных пусковых электродов ЭРД МТ при работе в ионной плазме.

Таблица 4 – Сравнительная износостойкость резцовых вставок

Сталь, обработка *	Время работы до ленточки износа 0,2 мм по передней режущей грани, мин **	Удельное изменение веса при воздействии потока плазмы 4 ⋅ 103 Вт/м2, 10мг/см2
Р0М6Ф3-МП, вакуумная закалка, оплавление лазером, отпуск	410-430 500-520	0,75-0,76 1,20-1,30
Р6М5-МП, вакуумное карбонитрирование, закалка, оплавление лазером, отпуск	570-580 500-520	0,56-0,62 1,20-130
Р6М5-П, вакуумная закалка, оплавление лазером, отпуск	440-460 500-520	0,60-0,70 1,20-1,30

Таким образом, полученные результаты исследований и опытов позволяют сделать выводы об эффективности и целесообразности лазерной обработки порошковых быстрорежущих сталей для существенного повышения износостойкости при различных условиях эксплуатации. Износостойкость мелкоразмерного инструмента чистовой обработки мягких керамик и прецизионных сплавов после вакуумной термической обработки и лазерного упрочнения достигает уровня вольфрамокобальтовых твердых сплавов, а эрозионная стойкость в ионно-плазменных потоках ЭРД МТ и ТИП испытанных порошковых сталей выше, чем ранее использованных в конструкциях коваров и титановых сплавов.

ВЫВОД : лазерная обработка, или поверхностное воздействии ионноплазменных потоков высокой удельной мощности на предварительно закаленные и карбонитрированные стали Р6М5-МП, Р6М5-П позволяет формировать структуру с повышенной энергетической устойчивостью при контактно-абразивном воздействии, например при резании керамических и огнеупорных термостойких материалов.