Лазерная закалка

При использовании лазеров в процессе термической обработки происходит преобразование световой энергии в тепловую. След от лазерного луча («дорожка») имеет сферическую форму, он состоит из центральной оплавленной зоны и периферийной зоны (именуемой также зоной термического влияния)^[3].

При направлении лазерного луча на поверхность металла происходит быстрый нагрев тонкого поверхностного слоя. А когда лазерный луч направляется на другие участки поверхности металла, нагретый участок быстро остывает, в результате чего происходит закалка поверхностных слоёв и значительное увеличение их прочности. Под действием лазерного излучения поверхность детали из стали или чугуна нагревается до очень высоких температур за короткий промежуток времени. Теплота распространяется вглубь металла, за счёт механизма теплопроводности. После прекращения действия лазерного излучения осуществляется закалка нагретых участков вследствие интенсивного теплоотвода в глубь металла (самозакалка)^[4].

Если для термообработки используется сканирующий лазерный луч с высокой скоростью перемещения, материал подвергается расплавлению лишь в очень тонком поверхностном слое, толщиной в несколько микрон или десятков микрон^[4].

В результате лазерной закалки (без оплавления) существенно повышается предел выносливости при изгибе (на 70—80 %) и предел контактной выносливости (на 60—70 %), что связано с образованием мартенситной структуры высокой степени дисперсности. Ударная вязкость при этом снижается^[3].

Лазерная закалка позволяет обеспечить высокую твёрдость (до 64 HR) без необходимости дополнительного легирования; при этом обеспечивается локальное упрочнение и предотвращается коробление. Скорость закалки может достигать 10 °С/с, что даёт возможность формировать практически аморфные структуры в тонких слоях материала с уникальными свойствами, которые улучшают эксплуатационные характеристики поверхности материалов^[4].

Лазерная закалка может быть успешно применена к легированным сталям (например, к шарикоподшипниковой стали IIIX15), с достижением твёрдости в поверхностной зоне на уровне 1200—1300 кгс/мм. Отсутствие карбидов в этой зоне свидетельствует о том, что температура нагрева здесь существенно превысила критическую точку А_с, что, в свою очередь, привело к растворению всех карбидов в аустените. Быстрое охлаждение в этой зоне является благоприятным фактором для полной закалки и формирования мартенситной структуры с высокой твёрдостью^[4].

На углеродистых и хромистых сталях (35, 40, 45, 40X12 и др.) микроструктура зоны оплавления проявляется в виде белого нетравящегося слоя и представляет собой высокодисперсный мартенсит. Непосредственно под этим белым слоем располагается слой крупноигольчатого мартенсита и далее — зона неполной закалки, включающая мартенсит и сетку феррита^[3].

Лазерная закалка также эффективно применяется для поверхностного упрочнения отливок из серого, ковкого и высокопрочного чугуна. За счёт оплавления поверхности и образования ледебуритной эвтектики (отбел чугуна) и мартенситного подслоя, обеспечивается высокая поверхностная твёрдость, однако, частичное оплавление ухудшает качество поверхности. При отсутствии оплавления, твёрдость после лазерного лазером увеличивается за счёт закалки тонкого поверхностного слоя. Отмечается, что лазерная обработка увеличивает износостойкость чугунных деталей в 8 — 10 раз^[4].

Лазерная закалка позволяет избирательно увеличивать прочность именно тех участков поверхности деталей, которые в наибольшей мере подвергаются износу. Так, лазерную закалку применяют в автомобильной промышленности для упрочнения головок цилиндров двигателей, направляющих клапанов, шестерён, распределительных валов и т. д. Лазерная закалка перспективна для использования в качестве финишной операции в технологическом потоке, поскольку объём дополнительных чистовых отделочных операций после неё может быть сведён до минимума или вообще исключён^[4]. Кроме того, лазерная закалка целесообразна для конструкций повышенной сложности с непростой конфигурацией обрабатываемых поверхностей (когда нагрев под закалку обычными методами затруднён), а также при очень малой площади поверхности обрабатываемого слоя^[5].