Розмір шрифту: 

Враховуючи високі вимоги, що пред’являються до деталей транспортного машинобудування, зокрема колісних пар (рис.1), які працюють в умовах значних контактних навантажень, механічних і циклічних дій традиційні технології поверхневого зміцнення (струми високої частоти, хіміко-термічна обробка, нанесення покриттів), що використовуються не в повній мірі задовольняють їх достатній працездатності.

 

 

а)                                                          б)

Рис. 1. Колісна пара (загальний вигляд) та геометрія контакту: x, y, z – вісі системи,

r₁₁, r₁₂, r₁, r₂ – характерні радіуси колеса та рейки (а), форма площадки контакту та

розподіл напружень (б).

 

Проблеми зношування, пластичної деформації та втомної міцності є основними пошкодження, які спостерігаються на поверхнях як рейок, так і коліс [1]. Зношування в колісній парі є головною проблемою для забезпечення безпеки на залізниці. Відомо, що шліфування та повторне профілювання використовується для зношених рейок [2]. Однак, дані технологічні рішення зменшують термін роботи рейок та підвищують експлуатаційні витрати.

Перспективними є лазерні технології поверхневого термозміцнення коліс з використанням сучасних високопотужних волоконних, діодних та дискових лазерів та сканувальної оптики. Використання лазерних технологій термозміцнення дозволить отримати стабільний/рівномірний структурний стан поверхневого шару із залишковими напруженнями стиску на визначеній глибині та високою мікротвердістю зміцненого шару [3,4]. В результаті, це дозволяє підвищити зносостійкість оброблених поверхонь [2].

Проте впровадження даних технологій стримується через відсутність рекомендацій визначення режимів обробки для отримання необхідної глибини зміцнення з однорідною структурою різних металевих матеріалів при використанні термічної дії лазерного променя, який формується спеціальною оптикою.

Метою даного дослідження є встановлення умов для отримання необхідної глибини з однорідною структурою поверхневого шару деталі зі сталі М76 з високою твердістю.

В якості матеріалу для експериментів використана пластина зі спеціальної сталі М76, основними складовими якої є марганець (1,05%), вуглець (0,71%) та кремній (0,37). Межа міцності на розтяг σ_В = 970 МПа, твердість HB 281.

Діапазон температур повної аустенізаціі попередньо передбачали за допомогою трикомпонентної фазової діаграми залізо-вуглець-марганець.

Лазерну термообробку здійснювали волоконним лазером безперервної дії ROFIN-SINAR FL010 з довжиною хвилі випромінювання 1,06 мкм при різних швидкостях обробки від 40 до 140 мм/хв, при діаметрі плями 1.2 мм та температурі нагрівання зразків 1200 °С. Сканування лазерного променя шириною 10 мм реалізовували 2D сканатором з швидкістю 1000 мм/с. Вимірювання та контроль температури на поверхні проводили відповідно двоколірним пірометром та спеціальним програмним забезпеченням [5].

Для визначення діапазону температури початку та кінця мартенситного перетворення, при розрахунках критичних точок температури структурно-фазових перетворень сталей, використано термокінетичну модель [6]:

,                   (1)

,                     (2)

,                      (3)

де A_Cm, A_r3, M_п – критичні точки температур структурно-фазових перетворень сталі, °С;              С, Mn,Cr, Si,… – хімічний склад матеріалу, %, h – товщина зразка, мм.

Згідно рівнянь (1-3), розраховані критичні точки температур структурно-фазових перетворень, зокрема для сталі М76 (A_Cm = 810 °С, A_r3 = 700 °С, M_п = 210 °С).

Розраховані критичні точки температур структурно-фазових перетворень за допомогою рівнянь (1-3) з експериментально визначеною швидкістю лазерної обробки (рис.2) дозволяють попередньо передбачити діапазон температури нагрівання без оплавлення при швидкостях обробки 40-140 мм/хв.

 

 

а)                                                                              б)

Рис. 2. Вплив швидкості лазерної термообробки на глибину зміцнення та мікротвердість приповерхневого шару сталі М76 при температурі нагрівання Т = 1200 °С.

 

Для визначення необхідної глибини лазерного термозміцнення використано модель [4], яка дозволяє розрахувати напруження в поверхневих шарах з використанням теорії Герца для стаціонарного навантаження:

(4)

де , ; ;

де Е – приведений модуль пружності; – навантаження на пару тертя; – максимальна напруга в зоні контакту; a – радіус кругової площини контакту; z – глибина зміцнення; Ra – шорсткість поверхні.

Результатами експериментальних досліджень встановлено, що величина мікротвердості поверхневого шару підвищилась більше чим в 2 рази після лазерного термозміцнення (рис.3). При цьому глибина зміцнення складає приблизно 300 мкм. Крім того, слід відзначити, що визначена величина мікротвердості зміцненого шару добре узгоджується із даними в роботі [1], де автори застосували високопотужний діодний лазер (довжина випромінювання 1020 ± 10 нм) для поверхневого зміцнення досліджуваної сталі.

 

 

Рис. 3. Розподіл мікротвердості в поперечному перерізі сталі М67 після лазерного термозміцнення при температурі нагрівання Т = 1200 °С та швидкості обробки 90 мм/хв.

 

Таким чином, для отримання однорідної структури зміцненого шару необхідної глибини доцільно використовувати лазерне термозміцнення з використанням запропонованої методики визначення оптимальних режимів.

 

За результатами проведених досліджень можна зробити такі висновки:

1. Визначено діапазон швидкості лазерної термообробки 40…140 мм/хв при температурі нагрівання Т = 1200 °С сталі М67.

Встановлено, що лазерне поверхневе зміцнення дозволило підвищити мікротвердість поверхневого шару більше чим в 2 рази в порівнянні з вихідним станом.

Лазерна термообробка, поверхневий шар, термокінетична модель, твердість