Определение параметров зон лазерной закалки сталей и их трибологических характеристик

Научная библиотека Комментарии к записи Определение параметров зон лазерной закалки сталей и их трибологических характеристик отключены

В. П. Бирюков, В. В. Исаков, А. Ю. Федотов, Д. А. Баулин // фотоника том 13 № 3 2019

Операция лазерного упрочнения предназначена для замены технологий азотирования с глубиной 0,3–0,4 мм и цементации с глубиной слоя 1,0–1,1 мм. Определено влияние дефокусировки луча волоконного лазера на глубину и ширину зон лазерного упрочнения. По уравнениям регрессии проведены расчеты и сопоставлены с результатами эксперимента.

Операция лазерного упрочнения предназначена для замены технологий азотирования с глубиной 0,3–0,4 мм и цементации с глубиной слоя 1,0–1,1 мм. Определено влияние дефокусировки луча волоконного лазера на глубину и ширину зон лазерного упрочнения. По уравнениям регрессии проведены расчеты и сопоставлены с результатами эксперимента.

Статья поступила в редакцию 25.03.2019
Статья принята к публикации 12.04.2019

На геометрические параметры зон лазерной закалки оказывают влияние тип лазерной установки, параметры внешней оптической системы, дефокусировка лазерного луча, режимы обработки и теплофизические свойства упрочняемых сталей. Образцы низколегированной стали 4130 с размерами 40 × 40 × 120 мм упрочняли лучом волоконного лазера компании IPG [1]. Лучшие результаты получены при мощности излучения 600 Вт, дефокусировке лазерного луча 50 мм и скорости перемещения 8 и 10 мм / с. Площадь зон закалки составляла 50% от площади поверхности образца. Микротвердость зон закалки составила 390 HV по сравнению с твердостью основы 220 HV. Испытания на трение и износ проводили на машине трения TRB161129 по схеме шар-диск при нагрузке 5Н, времени 20 минут и частоте вращения 500 мин–1. Материал шара карбид вольфрама WC с радиусом 5 мм. Коэффициенты трения составили: 0,35 для материала основы, 0,21 для образца, закаленного на скорости 8 мм / с и 0,18 для образца, закаленного на скорости 10 мм / с. Износ образцов: материал основы 3,69 · 10–5 мм3 / Нм, образцов после лазерной закалки, проводимой на скоростях 8 и 10 мм / с, соответственно 1,04 и 0,96 · 10–5 мм3 / Нм. Лазерное упрочнение мартенситной нержавеющей стали AISI 416 с содержанием углерода 0,167% проводили на образцах с размерами 55 × 10 × 7,5 мм с исходной твердостью 155 HV[2]. Использовали лазер Nd : YAG фирмы «Рофин-Синар» с максимальной мощностью излучения 2,2 кВт. Лазерный луч фокусировали до диаметра 2 мм на поверхности образца. Отработку режимов лазерной закалки осуществляли на мощности излучения 0,7 и 1 кВт при скорости перемещения луча 0,5; 1; 2; и 3 м / мин. Максимальная глубина закалки 0,9 мм с микротвердостью 400–700 HV получена при мощности излучения 1 кВт и скорости перемещения луча 0,5 м / мин. Испытания на износ выполняли по схеме диск (диаметр 73 мм, твердость 63 HRC) – ​палец (7 × 7,5 × 10 мм). Линейная скорость перемещения диска 8,4 м / мин. Нагрузка на образец при испытании 50 Н. Установлено, что минимальная интенсивность изнашивания составила 0,001 г / мин для образцов, обработанных со скоростью перемещения луча 0,5–1 м / мин и мощностью излучения 0,7–1 кВт. Что соответствует интенсивности изнашивания эталонных образцов этой стали после объемной закалки. Образцы, обработанные с большими скоростями перемещения луча, имеют в 3–5 раз большую интенсивность изнашивания.

Лазерная термообработка поверхности стали Ck45 создает микроструктуру с 91,65% игольчатого мартенсита и 8,35% остаточного аустенита [3]. Твердость мартенсита достигает до 850 HV, а остаточного аустенита 400–600 HV. Испытания на износ выполняли по схеме диск – ​палец при нагрузке 30 Н и скорости перемещения 0,7, 0,99 и 1,49 см / с. Твердость диска составляла 385 HV. Продолжительность каждого испытания была 10 минут. Износостойкость образцов закаленных лазером в два раза выше, чем исходной стали.

Эксперименты по лазерной закалке проводили на волоконном лазере YLR‑5000-S с максимальной мощностью излучения 5 000 Вт, транспортным волокном в оптической головке 200 мкм и фокусом коллимирующей линзы 150 мм [4]. Образцы упрочняли при мощности излучения 1875 Вт, дефокусировке луча 80 мм при плотности мощности лазера 12  735 Вт / см2. Скорость перемещения луча составляла 8 мм / с. Образцы стали с различным содержанием углерода,% от 0,203 (AISI 4820) до 0,951 (AISI 5210). Макротвердость образцов соответствовала содержанию углерода 505 и 812 HV5.
Лазерное упрочнение образцов стали 40XH2MA на установке ЛС – ​4 с использованием сканера IPG 2D проводилось с целью увеличения ширины и глубины зоны закалки [5]. В процессе лазерной закалки изменяли расстояние от фокальной плоскости в пределах 50–200 мм, шаг сканирования 50–1 500 мкм, мощность излучения 1 000–4 000 Вт. Получены дорожки закалки с шиной 50 и глубиной 0,2–2,0 мм при мощности излучения 2 000 Вт. Микротвердость упрочненных зон составила 6 410–7 340 МПа или 56–60 HRC. Увеличение мощности лазера до 4 000 Вт позволило получить закаленные слои с глубиной до 2,5 мм при той же ширине обработанной зоны.

Целями работы были определение влияния дефокусировки луча волоконного лазера на глубину и ширину зон лазерного упрочнения и проведение полного факторного эксперимента на линейных участках.

Методика проведения исследований
Лазерное термоупрочнение образцов стали 40Х с размерами 12 × 20 × 70 мм выполняли с помощью лазерного комплекса на основе волоконного лазера ЛС10, оснащенного оптической головкой FLWD50L, закрепленной на подвижном фланце руки робота KR120HA. Диаметр транспортного волокна 200 мкм, фокус коллимирующей линзы 160 мм, фокусирующей линзы 500 мм. Обработку выполняли при мощности излучения лазера 3000 и 4000 Вт, скорости перемещения луча 30 и 40 мм / с, дефокусировке луча в пределах 25–200 мм. Металлографические исследования проводили с использованием микротвердомера ПМТ‑3 при нагрузке 0,98 Н, цифровой микроскоп АМ413МL. металлографический микроскоп Альтами МЕТ 1С.

Во второй серии опытов с помощью метода полного факторного эксперимента (ПФЭ) определяли влияние режимов обработки на параметры упрочненных дорожек. В качестве факторов эксперимента были выбраны мощность излучения Р [Вт], скорость обработки V [мм / с] и дефокусировка луча Z [мм]. Для построения математических моделей в качестве откликов системы рассматривались глубина H и ширина B зон лазерной закалки. В таблице представлены уровни факторов эксперимента.

По окончании экспериментов изготавливались шлифы по стандартной методике и производились трехкратные измерения глубины и ширины закаленных зон. В расчете определялись все возможные взаимодействия факторов. Поскольку выполнялся ПФЭ 23, количество экспериментов составило 8 для каждой серии.

Результаты исследований и их обсуждение
По результатам металлографических исследований упрочненных зон в первой серии экспериментов построены графики зависимости глубины и ширины зон закалки от изменения расстояния до фокальной плоскости Z при погонной энергии луча 100 Дж / мм на рис. 1 (а, b). При дефокусировке луча менее 50 мм наблюдается кинжальное проплавление материала основы. Глубина и ширина зоны закалки изменяется линейно в интервале 100–150 мм, и поэтому этот участок можно описать уравнениями регрессии первого порядка [6].

Во второй серии экспериментов получены уравнения регрессии при дефокусировке луча 100–150 мм. Глубина зон упрочнения:

H = –​3,046 + 0,001553 Х1 + 0,0783 Х2 +
+ 0,02672 Х3 – 0,0000328 Х1 Х2 – 0,00068 Х2 Х3 –
– 0,00000972 Х1 Х3 + 0,000000236 Х1 Х2 Х3, (1)

где X1 – ​мощность излучения Р (Вт);
X2 – ​скорость V (мм / с);
X3 – ​расстояние до фокальной плоскости Z (мм);
Ширина зоны упрочнения:
В = 21,663 – 0,005169 Х1 – 0,4794 Х2 – 0,0289Х3 +
+ 0,0001346 Х1 Х2 + 0,000618 Х2 Х3 +
+ 0,00001736 Х1 Х3 –  0,000000242 Х1 Х2 Х3. (2)

По уравнениям регрессии проведены расчеты и сопоставлены с результатами эксперимента. Расчетные значения отличаются от фактических значений глубины и ширины зон закалки не более чем на 5%. Регрессионные модели зависимостей типа H (P, V), B (P, V) введены в табличный редактор MsExcel и построены сравнительные поверхности для этих функций (рис. 2).

Превалирующее влияние на геометрические параметры зон закалки имеет мощность излучения (рис. 2 а и б). С увеличением мощности растут ширина и глубина зоны закалки. С ростом скорости перемещения глубина и ширина закаленных зон уменьшается при Z = 150 (рис 2 г). Однако при Z = 100 мм при меньших значениях скорости ширина падает (рис 2 в), что связано с расходом энергии на плавление большего объема поверхности материла образца. С увеличением дефокусировки (диаметра) луча глубина зон закалки уменьшается, а ширина возрастает.

На рис. 3 показан микрошлиф зоны упрочнения стали 40Х, полученный при дефокусировке луча Z = 100 мм, скорости перемещения луча V = 40 мм / с и мощности излучения Р = 4 000 Вт. Зона закалки состоит: из зоны оплавления шириной 3 476 мкм и глубиной 140 мкм и расположенной ниже зоной закалки из твердого состояния шириной 6 089 мкм и глубиной 842 мкм.

Микротвердость зон лазерной закалки изменялась в пределах 7 180–8 300 МПа. На рис. 4 а и б представлены графики микротвердости образцов, обработанных при дефокусировке Z = 100 мм, Р = 3000 Вт, V = 30 мм / с и Р = 4000 Вт, V = 40 мм / с соответственно. Обработка при равной погонной энергии излучения 100 Дж / мм дает близкие по микротвердости и геометрическим параметрам зоны лазерной закалки.

Методика определения параметров упрочненных зон [6] может быть использована для всех типов лазеров: газовых, многолучевых. диодных, дисковых и волоконных. Для ее реализации достаточно обработать всего 7 образцов при наличии металлографического оборудования и персонального компьютера. Результаты экспериментов и расчетов дают возможность определения параметров зон закалки практически во всем исследованном диапазоне. Причем графики поверхности наглядно показывают закономерности изменения глубины и ширины зон упрочнения от режимов обработки, что значительно сокращает время на подготовку технологических процессов лазерной закалки промышленных деталей. Операция лазерного упрочнения предназначена для замены технологий азотирования с глубиной 0,3–0,4 мм и цементации с глубиной слоя 1,0–1,1 мм. Применение лазерных технологий позволяет повысить производительность труда, экологическую чистоту производства. Современные лазерные комплексы оснащены системами программного управления и легко перестраиваются на различные по габаритам и конфигурации детали и изделия.

Выводы
1. Получены линейные уравнения регрессии при дефокусировке луча 100–150 мм, позволяющие рассчитать глубину и ширину зон закалки с погрешностью не более 5%.
2. Построены поверхности, наглядно демонстрирующие закономерности изменения характеристик закаленных зон от параметров режимов обработки.

Литература

Oliveira R.J.B. et al. Microstructure and wear behaviour of laser hardened SAE4130 steels. Int. J. Surface Science and Engineering. 2018; 12(2): 161–170. DOI: 10.1504 / IJSURFSE.2018.10012334.
Al-Sayed S.R., Hussein A. A., Nofal A. A., Hassab Elnaby S. I., Elgazzar H. Characterization of a Laser Surface-Treated Martensitic Stainless Steel.Materials. 2017;10. DOI: 10.3390/ma10060595.
Adel K. M. Enhancement of Dry Sliding Wear Characteristics of CK45 Steel Alloy by Laser Surface Hardening Processing. Procedia Materials Science. 2014; 6: 1639–1643. DOI: 10.1016 / j.mspro.2014.07.148.
Qiu F., Uusitalo J., Kujanpaа V. Laser transformation hardening of carbon steel: microhardness analysis on microstructural phases. Surface Engineerin. 2013; 29(1): 34–40. DOI 10.1179 / 1743294412Y.0000000049.
Бирюков В.П., Фишков А. А., Татаркин Д. Ю., Хриптович Е. В. Влияние лазерного упрочнения круглым, профилированным и колеблющимся лучом на повышение ресурса работы деталей машин. ФОТОНИКА. 2017; 11(3):28–34. DOI: 10.22184 / 1993–7296.2017.63.3.28.34.
Biryukov V. P., Fishkov A. A., Tatarkin D. Yu., Hriptovich E. V. Vliyanie lazernogo uprochneniya kruglym, profilirovannym i koleblyushchimsya luchom na povyshenie resursa raboty detalej mashin. FOTONIKA. 2017; 11(3):28–34. DOI: 10.22184 / 1993–7296.2017.63.3.28.34.
Бирюков В. П. Расчетно-экспериментальное определение параметров упрочненных зон при лазерной закалке чугунов и сталей. ФОТОНИКА. 2017; 11(2): 22–32.
Biryukov V. P. Raschetno-eksperimental’noe opredelenie parametrov uprochnennyh zon pri lazernoj zakalke chugunov i stalej. FOTONIKA. 2017; 11(2): 22–32.

Полное содержание: http://www.photonics.su/files/article_pdf/7/article_7390_76.pdf

Рекомендуем для Вас


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

Back to Top