Лазерная закалка

Лазерная закалка, которая все чаще применяется в промышленности, проводится для получения твердой и устойчивой к истиранию структуры поверхностного слоя.

Данная технология работает для всех материалов, подвергающихся огневой и индукционной закалке.

Сегодня лазерная закалка полностью автоматизирована и позволяет закаливать предметы практически любой сложной геометрии.

Этот процесс находит множество применений в таких отраслях, как автомобилестроение, аэрокосмическая техника, медицинское оборудование и стоматология, а также в производстве потребительских, спортивных товаров и ювелирных изделий.

Выбор технологии упрочнения в настоящее время обуславливается, прежде всего, техническими требованиями к обрабатываемой детали или готового изделия, частью которого она будет являться. Использование лазерной закалки позволяет обрабатывать детали, которые по своей структуре или назначению не поддаются закалке другими методами.

Использование точного и простого в управлении лазера в качестве закалочной среды открывает совершенно новые возможности. Современные методы лазерной закалки не только экологически безопасны, но и не требуют применения вспомогательных процессов обработки закаленной детали или применения охлаждающих сред.

К основным преимуществам этого метода относятся энергоэффективность (высокоэффективный лазер мощностью 4,0 кВт вместе с системой охлаждения потребляет менее 15 кВт), скорость (лазерная закалка — полностью автоматизированный процесс) и то, что закаливаемые детали практически мгновенно подвергаются закалке, и становятся доступны в дальнейшем производственном процессе.

Лазер – альтернативный способ закаливания деталей

Процессы закалки применимы к большинству обрабатываемых заготовок. При лазерной закалке закаляются только внешние слои материала, что, с одной стороны, обеспечивает сохранение прочности сердцевины детали на растяжение на прежнем уровне, а с другой, благодаря благоприятному распределению напряжений, значительно снижает возможность растрескивания материала.

В процессе лазерной закалки в материал вводится только 20% тепла по сравнению с индукционной закалкой. Это уменьшает необходимость дальнейшей механической обработки материала.

По сравнению с процессами индукционной, газопламенной и цементационной закалки, лазерная закалка характеризуется:

• равномерным слоем;
• высокой твердостью (обычно на 1-3 HRC выше, чем при индукционной закалке);
• небольшой деформацией заготовки;
• легким контролем глубины слоя и траектории нагрева;
• легкостью автоматизации;
• отсутствием необходимости проектировать соответствующие индукционные катушки в соответствии с различными размерами деталей, как, например, при индукционной закалке;
• обработка крупных деталей не ограничена размером печи во время химико-термической обработки, такой как цементация и закалка.

Благодаря этим преимуществам лазер во многих отраслях промышленности постепенно вытесняет индукцию.

Лазерное закаливание позволяет выполнить операцию в относительно короткие сроки. Закаленная поверхность может иметь любую форму, а деталь будет закалена на разную глубину. Это возможно благодаря использованию современных систем сканирования, становится возможна закалка элементов сложной формы и с переменной шириной пути.

К материалам, пригодным для поверхностного упрочнения, относятся:

• инструментальные стали для холодной обработки (NC6, NC10, NC11);
• инструментальные стали для горячих работ (WLV, WCLV, WNLV);
• стали для пластиковых форм (1.2311, 1.2312, 1.2738, 1.2316);
• жаропрочные стали (С45, С55, uuC60, 40H, 40HM, 38HMJ);
• стали для цементации (16ХГ, 20ХГ);
• конструкционные стали;
• литая сталь;
• чугун и отливки из модифицированного и ковкого чугуна.

Для лазерной закалки пригодны материалы с содержанием углерода не менее 0,22% от их массы. Технология лазерной закалки позволяет обрабатывать материалы, уже подвергнутые цементации или плазменному азотированию. В результате процесса мы получаем более мелкую кристаллическую решетку по сравнению с печной и индукционной закалкой.

Физическая суть процесса

В процессе лазерной закалки лазерный луч нагревает внешние слои обрабатываемого материала, что создает разницу температур между температурой поверхности и внутренней температурой заготовки.

Поверхность материала нагревают до температуры аустенитного превращения со скоростью около 730°С в секунду и контролируют процесс, чтобы остановить нагрев до температуры плавления.

В зависимости от материала температура аустенитного превращения составляет от  900°С до 1400°С, а его продолжительность - от примерно 3 до 10 с. После достижения целевой температуры лазерный луч переходит к следующему обрабатываемому фрагменту, а поверхность, на которую лазерный луч перестает падать – автоматически остывает.

Очень высокая температура вызывает изменение атомной структуры — атомы углерода меняют свое положение (аустенитное превращение). Скорость охлаждения зависит, в частности, от теплопроводности затвердевшего материала, содержания углерода и мощности лазера.

Благодаря быстрому охлаждению, структура материала уже не возвращается к исходной форме, создавая очень твердую мартенситную структуру. Твердости, которые можно получить по этой технологии, соответствуют верхнему пределу мартенситного превращения.

Глубина лазерной закалки зависит от типа материала и на практике не превышает 1,5 мм. Для большей глубины закалки требуется значительный объем окружающего материала, чтобы тепло могло быстро рассеиваться и термообработанная область достаточно быстро охлаждалась.

Метод лазерной закалки экологически безопасен, поскольку не требует использования дополнительных охлаждающих сред, таких как вода, масло или сжатый воздух.

Благодаря высокой скорости лазерного нагрева и малой зоне термического влияния, а также термоупрочнению поверхности, то есть мгновенному затвердеванию, деформация обрабатываемой детали очень мала.

Лазерный луч имеет хорошую направленность, благодаря небольшому углу расхождения с помощью оптоволоконной системы обеспечивается точная локальная закалка поверхности детали.