4.3. Упрочнение поверхностей деталей концентрированными источниками энергии

Некоторые источники энергии, используемые для сварки металлов нашли применение при упрочнении поверхностей деталей. Был разработан ряд технологических процессов, получивших широкое применение в промышленности.

Наиболее распространенными методами поверхностного упрочнения являются: газопламенная поверхностная закалка и термообработка, плазменное поверхностное упрочнение, лазерное поверхностное упрочнение.

Поверхностная закалка с газопламенным нагревом служит для повышения твердости и износостойкости рабочих поверхностей деталей машин. Процесс осуществляется с помощью горелок, обеспечивающих получение газокислородного пламени (как правило, ацетилено-кислородного), направленного на поверхность детали (рис.4.9). Пламя обеспечивает нагрев поверхности до температуры выше Ас₃. Последующее интенсивное охлаждение с помощью разбрызгивателей, подающих на нагретый участок воду или другую охлаждающую среду, обеспечивает образование поверхностного закаленного слоя требуемой глубины и твердости. Закалку с газопламенным нагревом применяют в машиностроении при обработке небольших деталей (пальцев, звеньев транспортных лент и др.), а также при обработке небольших участков крупных изделий в мелкосерийном и индивидуальном производстве. В зарубежной практике газопламенный метод закалки используется при обработке изделий массового производства.

Рис. 4.9. Принципиальная схема газопламенной поверхностной закалки цилиндрической детали: 1 – мундштук газовой горелки; 2 – газовое пламя; 3 – обрабатываемая деталь; 4 – участок нагретой поверхности; 5 – участок закаленной поверхности; 6 – охлаждающая жидкость; 7 – подвод охлаждающей жидкости.

Процесс плазменного поверхностного упрочнения деталей осуществляется за счет быстрого нагрева поверхности детали высококонцентрированным, высокотемпературным плазменным потоком с последующими термическими фазовыми и структурными превращениями, происходящими за счет интенсивного теплоотвода в глубь детали (рис.4.10).

Рис. 4.10. Принципиальная схема плазменного поверхностного упрочнения деталей и изменение температуры в заданном поверхностном слое: 1 – плазмотрон; 2 – плазменная струя; 3 – обрабатываемая деталь; 4 – ветвь нагрева; 5 – ветвь охлаждения; 6 – зона локального нагрева; 7 – упрочненный (закаленный) слой детали.

В качестве источника нагрева используются плазмотроны прямого или косвенного действия. За очень короткие промежутки времени обеспечивается локальный нагрев поверхности детали выше точки Ас₃. Скорости нагрева и охлаждения поверхности детали, характер структуры и глубина обработки детали зависит от длительности пребывания металла в заданном интервале температур и теплофизических характеристик обрабатываемого материала. Плазменное поверхностное упрочнение применяется в машиностроении в условиях мелкосерийного, крупносерийного и массового производства (например, упрочнение металлорежущего инструмента), для упрочнения поверхностей деталей машин в металлургии, в ремонтном деле, для упрочнения газотермических покрытий.

В последнее время все большее применение для упрочнения поверхностей деталей машин находит лазерное излучение. Высокие плотности мощности лазерного излучения, существенно превосходящие другие источники энергии, позволяют не только значительно увеличить производительность обработки, но и получить качественно новые результаты, недоступные ранее приведенным методам обработки.

Процесс лазерной поверхностной обработки осуществляется за счет нагрева поверхности детали высококонцентрированной энергией лазерного излучения, плотность мощности которой на несколько порядков превосходит по концентрации ранее приведенные источники теплоты с последующим интенсивным теплоотводом в глубь детали (рис.4.11).

Рис. 4.11. Принципиальная схема лазерного поверхностного упрочнения деталей: 1 – лазерный пучок; 2 – корпус головки; 3 – зеркало; 4 – тубус для фокусировки; 5 – линзы; 6 – лазерное излучение; 7 – обрабатываемая деталь; 8 – зона локального нагрева; 9 – упрочненный участок детали.

Скорость нагрева и охлаждения поверхности детали, характер структуры зависит от концентрации энергии, длительности пребывания металла в заданном интервале температур и теплофизических характеристик обрабатываемого материала. Лазерное поверхностное упрочнение находит применение в машиностроении, приборостроении, в ремонте, для упрочнения и обработки газотермических покрытий.

Особенностью лазерного излучения является возможность его легкой транспортировки. С помощью лазерных оптических систем лазерный луч можно направить в труднодоступные места, подавать на определенные расстояния без потерь энергии. Эти особенности лазерного излучения обеспечивают возможность легкого и оперативного управления процессом поверхностного упрочнения.