Повышение эксплуатационных характеристик инструментальной стали 9ХС с использованием непрерывного излучения иттербиевого волоконного лазера

Научная библиотека Комментариев к записи Повышение эксплуатационных характеристик инструментальной стали 9ХС с использованием непрерывного излучения иттербиевого волоконного лазера нет

Митрофанов А.А., Чащин Е.А., Балашова С.А. // Современные наукоемкие технологии. – 2016. – № 12-2. – С. 269-273; УДК 621.789

Работа направлена на решение задачи совершенствования существующих методов повышения стойкости инструментальной оснастки лазерной поверхностной обработкой. В связи с этим в работе приведены результаты исследований воздействия излучения нового перспективного типа лазеров, а именно непрерывных иттербиевых волоконных лазеров. На основании металлографических исследований определен характер воздействия лазерного излучения на структуру и эксплуатационные свойства поверхностного слоя инструментальной легированной стали 9XC. Показано, что лазерная обработка в интервале плотностей энергии 7,33–26 Дж/мм2 приводит к увеличению микротвердости поверхностных слоев инструментальной стали 9ХС. Также показано, что при обработке лазерным излучением без оплавления поверхности максимальная микротвердость формируется непосредственно на поверхности, а при обработке с оплавлением поверхности максимальная микротвердость формируется в нижележащих слоях и составляет 800–910 HV. При этом глубина зоны упрочнения при обработке с оплавлением поверхности находится в пределах 1,2–1,4 мм, что в 2–6 раз больше, чем при обработке без оплавления поверхности. Также показано, что использование в технологических процессах излучения волоконных лазеров имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с твердотельным или газовым лазерным излучением.

INCREASING THE OPERATIONAL CHARACTERISTICS OF TOOL STEEL 9XC USING YTTERBIUM CONTINUOUS WAVE FIBER LASER
The work is aimed at solving the problem of improving the existing methods of increasing the resistance of the tooling arrangement by laser surface treatment. In this regard, the paper presents the results of studies of the radiation influence of the new type of laser, namely ytterbium continuous wave (CW) fiber laser. The character of the radiation influence had been determined on the structure and service properties of the surface layer of alloy tool steel 9XC based on the metallographic examinations. It is shown that the laser treatment in the range of energy densities 7,33–26 J/mm2 increases the microhardness of the surface layers of tool steel 9XC. As shown, the maximum microhardness is formed directly on the surface when the laser processing which occurs without surface melting. The maximum microhardness is formed in the lower layers, and equals 800–910 HV while processing a surface with melting. In doing so, hardening zone depth is within the area of 1,2–1,4 mm at a surface treatment with melting which is 2–6 times large than the surface treatment without melting. It’s also shown that using of the fiber lasers radiation in the technological processes has several significant advantages compared to solid-state or gas laser radiation.

Повышение стойкости инструментальной оснастки является весьма актуальной задачей [2]. В настоящее время достаточно широко используются технологии упрочнения поверхностных слоев металлов и сплавов, основанные на использовании высококонцентрированных источников энергии. К числу таких процессов поверхностного упрочнения и создания триботехнических покрытий относится метод поверхностного модифицирования с использованием энергии лазерного излучения. Большие технологические возможности лазерной термообработки определяются высокой степенью локализации термического воздействия, получением упрочненных поверхностных слоев без использования закалочных сред, снижением деформации обрабатываемых деталей, возможностью обработки поверхностей труднодоступных участков, отсутствием контакта с обрабатываемым материалом и возможностью автоматизации процесса [6–7]. Однако применяемые до последнего времени лазерные технологические комплексы, использующие в качестве активных сред газовые смеси или твердотельные элементы, обладают определенными недостатками. Во-первых, невысокий КПД – до 10 %, во-вторых, необходимость нанесения поглощающих покрытий при обработке непрерывным излучением СО2 – лазера, в-третьих, относительно невысокая производительность процесса импульсного упрочнения, связанная с необходимостью перекрытия пятен лазерного излучения.

Разработка физических основ и интенсивное развитие волоконной лазерной техники [3] позволяют значительно расширить возможности лазерных технологий, в том числе и в области лазерного термоупрочнения.

Волоконные лазеры обладают рядом преимуществ, позволяющих повысить их технологическую эффективность:

– длина волны (1,07 мкм), обеспечивающая возможность обработки без использования поглощающих покрытий;

– высокое качество излучения;

– подвод излучения к оптической головке по оптическому волокну;

– высокая энергетическая эффективность (КПД до 30 %);

– отсутствие рабочих газов;

– минимальные затраты на обслуживание и эксплуатацию.

В работах [1, 4, 8] представлены результаты исследований по лазерной маркировке и лазерной сварке с использованием волоконных лазеров. При этом вопрос о поверхностном упрочнении с использованием излучения волоконных лазеров остается во многом неизученным.

Научная новизна

В данной работе приведены результаты исследования упрочнения поверхностного слоя образцов инструментальной стали 9ХС с использованием излучения волоконного лазера. В качестве источника излучения использовался иттербиевый волоконный лазер ЛС-4, с длиной волны излучения λ = 1070 нм. Для оценки воздействия лазерного излучения на микроструктуру и микротвердость зоны лазерного воздействия (ЗЛВ) обработка проводилась, как с оплавлением, так и без оплавления поверхностного слоя. Диапазон изменения плотности энергии излучения находился в пределах Е = 7,3–26 Дж/мм2, что осуществлялось путем варьирования мощности излучения и скорости относительного перемещения. Исходная микротвердость экспериментальных образцов, изготовленных из стали 9ХС, составляла 610–650 HV.

Материалы и методы исследования

Измерение распределения микротвердости по глубине ЗЛВ проводилось на твердомере HVC-1000. Для исследования микроструктуры использовался металлографический микроскоп NIKON EPIPHOT 200.

Исследование микроструктуры упрочненного слоя (рис. 1) показало, что в общем случае зона лазерного воздействия имеет слоистое строение.

Рис. 1. Микроструктура зоны лазерного воздействия, полученная в результате обработки с оплавлением поверхности с плотностью энергии излучения, Е = 22 Дж/мм2

 

В целях апробации полученных результатов зависимости микротвердости поверхностного слоя инструментальной стали 9СХ от параметров лазерного воздействия было выполнено упрочнение рабочих поверхностей деталей пресс-форм, применяемых для изготовления деталей из пластмасс.

Для проведения лазерного упрочнения элементов пресс-форм были сформулированы следующие технические требования:

1. Обеспечение максимального значения микротвердости непосредственно на поверхности.

2. Лазерная обработка должна проводиться без оплавления поверхности.

Последнее требование обусловлено тем, что лазерное термоупрочнение целесообразно проводить как финишную операцию, сохраняя сформированные ранее геометрические параметры и шероховатость упрочняемых поверхностей.

Исходя из этих требований наиболее приемлемым из исследованных режимов лазерной обработки является обработка без оплавления поверхности с плотностью энергии E = 13 Дж/мм2, так как в этом случае формируется структура с максимальными значениями микротвердости 886 HV и сохраняется исходный микрорельеф обрабатываемой поверхности. На рис. 4 представлен внешний вид обрабатываемой детали, с выделенными упрочненными поверхностями.

 

Полное содержание статьи: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=36433

Рекомендуем для Вас

Leave a comment

You must be logged in to post a comment.


© Интернет журнал "ЛАЗЕРНЫЙ МИР", 2019
Напишите нам:
laser.w@yandex.ru

Back to Top