Повышение ресурса рабочих органов сельхозтехники методом объемного импульсного лазерного упрочнения

Текст: И. А. Пинахин, В. А. Черниговский, ФГАОУ ВО «Северо-Кавказский федеральный университет»

Сегодня в аграрной отрасли широко используется техника, испытывающая значительные нагрузки при функционировании. Повышение эксплуатационного ресурса рабочих органов сельскохозяйственных машин, особенно предназначенных для почвообработки, возможно методом объемного импульсного лазерного упрочнения. 

Использование в технике инструментов, оснащенных твердыми сплавами в качестве обрабатывающего компонента, обусловлено определенными положительными свойствами подобных веществ. Так, они отличаются высокой твердостью — в среднем 14 ГПа, абразивной износоустойчивостью и теплостойкостью — способны выдерживать температуру до 1600ºС. Однако аграрные машины нередко применяются в области больших изгибающих нагрузок, что делает более актуальным использование различных методик повышения прочности их основных рабочих органов.

СВОЙСТВА СПЛАВОВ

Относительно низкая прочность на изгиб у деталей сельскохозяйственной техники может приводить к внеплановым остановкам во время выполнения технологических операций для замены твердосплавного инструмента. Кроме того, при работе агрегатов повышается расход дефицитных дорогостоящих металлов, входящих в состав твердых сплавов, ведь подобные элементы присутствуют в земной коре. К примеру, концентрация титана в почве составляет в среднем 0,57 процента, вольфрама — 0,0013 процента, тантала — 0,00024 процента, кобальта — 0,004 процента. Прочность на изгиб можно повышать путем использования марок металлов с большим содержанием связки, для отечественных твердых сплавов основной из которых является кобальт. Однако в данном случае значительно снижается абразивная износостойкость таких деталей, что может сказываться на эффективности вспашки.
Существует множество методов повышения физико-механических свойств твердых сплавов. Однако многие из этих методов предлагают оказывать термическое воздействие на изделие, что зачастую приводит к образованию в нем микротрещин, особенно при его выполнении из соединений групп ТК и ТТК. Механические способы упрочнения, к которым относятся вибрационные, шлифование алмазными или эльборовыми кругами, нанесение покрытий и другие, модифицируют структуру или химический состав поверхностного слоя упрочняемого материала. Основное их воздействие заключается в изменении абразивной износостойкости, которая у рассматриваемых сплавов изначально имеет высокие значения при температурах эксплуатации до порога теплостойкости. Кроме того, режущий инструмент относится к изделиям, сохраняющим работоспособность при геометрическом износе, поэтому для повышения его эксплуатационного ресурса наиболее целесообразно использовать объемные методы упрочнения.

ОСОБОЕ ОБЛУЧЕНИЕ

Специалисты ФГАОУ ВО «Северо-Кавказский федеральный университет» разработали метод объемного импульсного упрочнения, или ОИЛУ, позволяющий повышать прочность на изгиб твердых сплавов за счет воздействия лазерного луча большой энергии. Данный способ имеет ряд преимуществ перед остальными методиками. Среди них низкая трудо- и энергоемкость — на упрочнение одной пластины затрачивается 0,8–2 мс при потреблении электроэнергии в среднем 1 кВт, отсутствие необходимости в подготовке поверхности перед процедурой, а также сохранение эффекта при геометрическом износе детали.

Объемное импульсное лазерное упрочнение осуществляется путем локального однократного облучения изделия лучом неодимового лазера импульсного действия в режиме свободной генерации. Для осуществления подобной операции необходимо, чтобы полезная энергия импульса достигала 200–400 Дж, а ее плотность — 10,2–65 ГДж/кв. м, длительность процедуры составляла 0,8–2 мс, а диаметр луча — 1,4–2,5 мм. В результате воздействия импульса лазера материал нагревается до температуры 40×103–60×103 К. При подобных тепловых значениях происходит его переход в состояние холодной плазмы, что приводит к последующему испарению вещества — до 20–70 мг в зависимости от режимов облучения, а также образованию ударной волны за счет перераспределения тепловой энергии в механическую. Прохождение этой волны инициирует улучшение свойств твердых сплавов, в частности, повышение прочности на изгиб.

ИСПЫТАТЕЛЬНЫЕ ОБРАЗЦЫ

Результаты тензометрии и рентгеноструктурного анализа показали, что изменения, наблюдаемые в твердых сплавах после ОИЛУ, являются аналогичными по природе наклепу при пластической деформации, то есть при повышении степени дефектности структуры, и распространяются в области действия ударной волны, инициируемой лазерным облучением. При этом площадь передачи этой волны зависит от режимов ОИЛУ, марки материала и геометрических параметров образцов.
В ходе практических экспериментов специалисты ФГАОУ ВО «Северо-Кавказский федеральный университет» исследовали прочность на изгиб твердых сплавов, прошедших ОИЛУ, на универсальной однозонной электромеханической испытательной машине LabTest 6.600. Она оснащена лицензионным программным обеспечением с возможностью определения девяти параметров, построения графиков и статистической обработки результатов серии измерений. Образцы из твердых сплавов Т5К10, КНТ-16, ТТ7К12 и ВК8 изготавливались на оборудовании отечественного предприятия по ГОСТу 27034-86. Испытания проводились согласно стандарту ISO/CD 3327, то есть сосредоточенной нагрузкой на образец, лежащий на двух опорах. Лазерное облучение осуществлялось согласно утвержденной схеме. Результаты экспериментов показали, что ОИЛУ позволяет улучшить прочностные характеристики материала, работающего в условиях хрупкого разрушения, практически в 1,2–1,22 раза. Кроме того, в ходе испытаний наблюдалось снижение коэффициента вариации прочности в 1,8–2,3 раза, что свидетельствует о повышении стабильности свойств рассматриваемых сплавов по объему.

ЭФФЕКТ УПРОЧНЕНИЯ

Таким образом, проведенные эксперименты позволили не только установить степень повышения прочности образцов твердых сплавов разных марок, но и выявить зависимость этого показателя от энергии облучения. Данный факт тесно коррелировал со сведениями, ранее полученными при проведении рентгеноструктурного анализа, и с увеличением степени дефектности структуры твердых сплавов по объему вследствие прохождения ударной волны, инициируемой ОИЛУ. Результаты эксперимента также позволили определить улучшение однородности материала благодаря проведению подобной процедуры упрочнения. Кроме того, повышение прочности на изгиб и стабильности свойств твердых сплавов в сочетании с увеличенной абразивной износостойкостью после ОИЛУ свидетельствовало о перспективности применения подобного метода для почвообрабатывающих машин. Более того, исследования показали, что наличие глубокой зоны упрочнения, которая может достигать 30 мм, позволяет использовать данную технологию при работах с габаритными твердосплавными пластинами, а сохраняющийся эффект после изнашивания поверхностного слоя рабочих органов агрегатов значительно повышает эксплуатационный ресурс сельскохозяйственной техники.

Табл. 1. Влияние ОИЛУ на прочность твердого сплава при действии сосредоточенной нагрузки