РАЗДЕЛ 2
МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1 Выбор инструментального материала
Технология лазерной твердотельной имплантации изучалась на углеродистой инструментальной стали марки У8А и низколегированной стали ХВГ. Использовались квадратные пластины 8 х 8 мм толщиной 4 мм с последующим механическим креплением в токарной резцовой державке для исследования работоспособности инструмента. В табл. 2.1 приведены химические составы инструментальных пластин согласно стандарту.
Таблица 2.1 - Химический состав инструментальных режущих пластин (ГОСТ 1435-74, ГОСТ 5950-73)
Марка стали Содержание элементов в мас.%CMnSiCrNiSWPУ8А0,75-0,850,25-0,35не более 0,3не более 0,2не более 0,25не более 0,03-не более 0,03ХВГ0,9-1,050,8-1,10,15-0,350,9-1,2--1,2-1,6-
С помощью рентгеновского анализа уточнен химический состав инструментальных пластин, которые использовались в экспериментах. Химические составы материалов У8А и ХВГ приведены в табл. 2.2.
Марка сталиСодержание элементов в мас.%CMnSiSPCuCrNiAlTiMoNbWVOУ8А0,830,250,260,0210,010,260,120,130,022?0,005?0,01?0,005?0,01?0,0050,0038ХВГ0,991,000,380,0140,0210,141,030,190,028?0,0050,10,011,340,030,0056Таблица 2.2 - Химический состав инструментальных режущих пластин для исследований
Из таблицы 2.2 видно, что исследуемые инструментальные пластины соответствуют требованиям стандарта, за исключением элемента меди. Наличие небольшого количества меди объясняется циклом переработки отходов, в результате которого медь накапливается в стали. Возможно, также, это связано с процессом резки и шлифования инструментальных пластин, так как связка шлифовального круга содержит медь, которая переходит на поверхность режущей пластины. Остальные химические элементы имеют содержание менее 0,02 мас.%.
2.2 Технологическая установка для лазерной твердотельной имплантации
Легирование режущей части пластин осуществлялось при помощи технологии лазерной твердотельной имплантации.
Технология лазерной твердотельной имплантации (ЛТИ) представляет собой следующий процесс: перемещающийся лазерный луч плавит инструментальную пластину локально на глубину около 1 мм, в то время как твердые легирующие частицы вместе с несущим газовым потоком проникают в расплавленный лазером жидкий металл. В процессе кристаллизации, занимающим доли секунды, частицы растворяются в металле и выделяется новая фаза, образуя объемный композиционный легированный слой (см. рис. 2.1). Технологический комплекс для проведения исследований по лазерной твердотельной имплантации (рис. 2.2) построен на базе технологического лазера СО2 мощностью 5 кВт модели Trumpf TLC 105 (Будапештский технологический научно-исследовательский институт "BAYATI") [67, 68].
Технологический комплекс для ЛТИ, кроме технологического лазера мод. Trumpf TLC 105 (Германия), включает следующие элементы:
- активную оптическую систему (1), формирующую лазерный луч и специальное сопло для подачи легирующей смеси в среде инертного газа (2); на рис. 2.3а эти элементы показаны в нерабочем состоянии, а на рис. 2.3.б показан процесс лазерной имплантации частиц; образующиеся в процессе ЛТИ газообразные продукты удаляются из зоны обработки системой вытяжной вентиляции (3) (рис. 2.3.а);
Рис. 2.1 - Основные элементы установки для лазерной твердотельной имплантации (1-лазер, 2- газовое сопло с подаваемыми частицами, 3-режущая пластина-матрица, 4-медная пластина, 5-рабочий стол, 6- водяная охлаждающая система).
- рабочий стол (рис. 2.4) CNC установки, который состоит из непосредственно рабочего стола (1), перемещающегося в координатах Х, Y, Z, охлаждающего приспособления (2), на котором с помощью специального клея крепятся инструментальные пластины (3, 4); инструментальные пластины (3) подверглись процессу легирования с помощью ЛТИ, пластины (4) - исходные образцы инструментального материала;
- специальную установку (рис. 2.5) для смешивания легирующих частиц в среде инертного газа, с последующей их подачей через сопло в зону легирования инструментальной пластины.
- пульт управления (рис. 2.6) лазерной установкой, регулирующий перемещение стола, и специальная установка для подачи легирующих твердых частиц.
Технические характеристики лазерной установки модели Trumpf TLC 105 следующие:
1. Длина волн излучения, мкм 10.6
2. Частота следования (повторения импульсов), кГц 10
3. Максимальная мощность непрерывного излучения, кВт 5
4. Активная среда СО2
5. Минимальный диаметр сфокусированного пятна лазера, мм 0.3
6. Потребляемая мощность технологической установки, кВт 90
7. Габариты, м 9х6х4
8. Масса установки, кг 15000
Рис. 2.2 - Технологический комплекс для проведения лазерной твердотельной имплантации (BAYATI, Будапешт)
Рис. 2.3а - Позиционирование лазерной установки относительно рабочих пластин (1- активная оптическая система, 2- сопло для подачи легирующей смеси, 3- система вытяжной вентиляции), (BAYATI, Будапешт)
Рис. 2.3б - Процесс лазерной твердотельной имплантации
(1- активная оптическая система, 2- сопло для подачи легирующей смеси), (BAYATI, Будапешт)
Рис. 2.4 - Рабочий стол (1- рабочий стол, 2- охлаждающая система, 3, 4-инструментальные пластины), (BAYATI, Будапешт)
Рис. 2.5 - Система подачи порошка (BAYATI, Будапешт)
Рис. 2.6 - Пульт управления (BAYATI, Будапешт)
2.3 Методика моделирования динамики проникновения твердой частицы в жидкость
Экспериментальное моделирование динамики проникновения твердой частицы в жидкость осуществлялось с помощью высокоскоростной видеокамеры.
Имитацией расплавленного металла являлись жидкости разного состава, которые частично заполняли стеклянный сосуд, открытый сверху и имеющий прямые вертикальные стенки для избегания оптических ошибок. Легирующую частицу имитировал шарик из различных материалов. В