Особенности образования структуры при лазерной обработке

Научная библиотека Комментарии к записи Особенности образования структуры при лазерной обработке отключены

Н. А. Смирнова, А. И. Мисюров // Инженерный журнал: наука и инновации, Вестник МГТУ сер Машиностроение, 2012

Приведены особенности образования структуры при лазерной обработке, а также результаты металлографических исследований, проведенных сотрудниками кафедры «Лазерные технологии в машиностроении». Выявлены закономерности формирования структуры и изменения свойств сталей и никелевых сплавов под воздействием излучения лазера в процессе поверхностной лазерной термической обработки и наплавки, а также лазерной сварки и сварки комбинированными источниками.

На кафедре «Лазерные технологии в машиностроении» МГТУ им. Н.Э. Баумана систематически проводятся металлографические исследования изменения структуры и свойств материала под воздействием излучения лазера. При разработке технологий лазерной термической обработки, легирования и наплавки, а также лазерной сварки и сварки с помощью комбинированных источников важную роль играют закономерности формирования микроструктур в зонах лазерного воздействия сталей и сплавов, которые зависят от режимов обработки, химического и фазового составов, предварительной термической обработки. Работы по лазерной термической обработке металлов и сплавов актуальны и в настоящее время.

Лазерное упрочнение — один из основных методов получения требуемых физико-механических свойств поверхности деталей машин. Процессы, связанные с высокими скоростями нагрева и охлаждения, приводят к возникновению мелкодисперсных приповерхностных структур и повышению физико-механических свойств поверхностей деталей. Появление новых лазерных источников излучения — волоконных лазеров — привлекло внимание к вопросу выбора эффективного источника для лазерной закалки. Основной недостаток закалки СО2- и твердотельными лазерами — низкая энергетическая эффективность. Для СО2-лазера энергетический КПД не превышает 10 %, коэффициент поглощения излучения с длиной волны 10,6 мкм металлами низкий. Для его увеличения используют технологии нанесения поглощающих покрытий, что усложняет процесс обработки. Для твердотельных лазеров с длиной волны излучения 1,06 мкм коэффициент поглощения возрастает, но полный КПД лазера обычно составляет не более 2…3 %. Для волоконных лазеров с длиной волны 1,07 мкм коэффициент поглощения также повышается, КПД волоконных лазеров равен 25 %, что в 2,5—3 раза выше КПД СО2-лазеров. В связи с этим интерес представ-

ляют не только исследования влияния технологических факторов лазерного термоупрочнения на формирование однородных и относительно мелкозернистых структур поверхностного слоя, но и сравнение эффективности использования СО2-, твердотельных и волоконных лазеров.

Сравнение эффективности двух типов лазеров показало, что эффективность поглощения излучения волоконного лазера чрезвычайно высока. Так, при мощности излучения волоконного лазера 1 кВт и скорости обработки 0,01 м/с глубина зоны лазерного воздействия (ЗЛВ) стали 45 составляет 1,27 мм, а стали У8 — 1,14 мм. При этих же значениях скорости и мощности излучения СО2-лазера глубина ЗЛВ указанных сталей равна 0,6 мм даже при использовании поглощающих покрытий.

Одна из самых актуальных задач в широком спектре процессов закалки стали — закалка без оплавления поверхности, например, для закалки штамповой оснастки. Поскольку в этом случае недопустимо локальное плавление металла даже в микрозонах.

На рис. 1, а, приведена микроструктура ЗЛВ углеродистой стали 45, обработанной излучением волоконного лазера. Структура закаленного слоя довольно однородна (микроструктура имеет вид мелкодисперсного мартенсита) и полностью отсутствует переходная зона. На рис. 1, б, для

Рис. 1. Микроструктура стали 45 после нормализации и лазерной термической обработки излучением волоконного лазера (а) и С02-лазера (б) (х200)

сравнения дана микроструктура ЗЛВ этой же стали, полученная при обработке излучением СО2-лазера. В этом случае есть переходная зона, и наблюдается слоистость структуры. В результате нагрева до температуры ниже температуры плавления нормализованной стали 45 отсутствует зона закалки из жидкого состояния. Зона закалки из твердой фазы состоит из двух областей: вверху — область с однородной структурой и внизу — область с неоднородной структурой. В области с однородной структурой формируется мелкодисперсный мартенсит с микротвердостью 720…850 НУ. На месте перлитных зерен образуется мартенсит (микротвердость 557.644 НУ) с небольшим количеством остаточного

аустенита. В области с неоднородной структурой по мере увеличения глубины наблюдается усиление неоднородности структуры: сначала образуется мартенситотроостит, затем мартенсит и трооститная сетка, которая переходит в трооститоферритную, а на границе с исходной структурой — в ферритную структуру. Это обусловлено тем, что в процессе лазерного нагрева имеют место различные стадии аустенизации [1]. Глубина зоны термического влияния (ЗТВ) 0,55… 0,60 мм, микротвердость ферритных зерен 280.350 НУ (200.230 НУ) при исходной твердости феррита 110 НУ. Повышение микротвердости связано с фазовым наклепом.

При закалке сталей, предварительно прошедших закалку и отпуск, после лазерного упрочнения на границе с исходной структурой выявляется зона отпуска. Вся зона закалки из твердой фазы представляет собой область однородного мартенсита с микротвердостью 700.850 НУ, которая выше твердости мартенсита, полученного печной закалкой. На границе с исходной структурой наблюдается переходная зона. В таком случае эта зона отпуска с трооститной структурой, имеющая микротвердость 300.400 НУ.

Изменение режимов лазерной обработки влияет в первую очередь на микротвердость. Полученные результаты показывают, что глубина ЗЛВ уменьшается при увеличении скорости обработки и возрастает при усилении мощности излучения. С увеличением скорости обработки при лазерной обработке нормализованной стали без оплавления с повышенными скоростями область однородного мартенсита отсутствует и трооститоферритная сетка вокруг мартенсита может доходить до самой поверхности образца. Это снижает общую твердость ЗЛВ, поэтому упрочнять такие стали при высокой скорости обработки нецелесообразно.

В диапазоне значений скорости обработки 0,01.0,03 м/с микротвердость ЗЛВ увеличивается (540.750 НУ). При дальнейшем возрастании скорости обработки микротвердость ЗЛВ снижается. Тогда в поверхностном слое образуется мартенсит с мартенситотроостит-ной сеткой.

При малой скорости обработки под зоной оплавления в верхней части ЗТВ образуется узкий слой однородного мартенсита. В этом слое, нагретом до высокой температуры, происходит полное превращение избыточного феррита в аустенит и полное насыщение таких участков углеродом. На большей части ЗТВ формируется относительно однородная мартенситная структура.

На основании результатов исследования лазерной термической обработки углеродистых сталей можно сделать следующий вывод. Лазерная термическая обработка низкоуглеродистых сталей не целесообразна вследствие малой твердости низкоуглеродистого мартенсита (400.500 НУ) и наличия небольших колоний измельченного феррита (150.200 НУ). При увеличении содержания углерода в стали до 0,3 % и выше твердость мартенсита после закалки резко возрастает. Средне-

углеродистые стали с содержанием углерода 0,3.0,6 % наиболее подходят для закалки непрерывным лазерным излучением.

При лазерной обработке с оплавлением эвтектоидных и заэвтек-тоидных углеродистых сталей в зоне оплавления кроме мелкодисперсного мартенсита образуется остаточный аустенит, например, в стали У8 — до 39 %, в стали У10 — до 45 %. Нерастворившегося цементита в зоне оплавления нет, следовательно, мартенсит и аустенит достаточно насыщены углеродом. С увеличением содержания углерода микротвердость мартенсита значительно возрастает: в сталях с содержанием углерода 1,0… 1,2 % она достигает 1 200.1 300 НУ. Поэтому стали У8 и У10 после лазерного упрочнения имеют большую микротвердость, чем сталь 45. Следует отметить, что увеличение содержания остаточного аустенита в зоне оплавления некоторых сталей может уменьшить микротвердость, например, микротвердость стали У10 ниже микротвердости стали У8. С этим связано снижение микротвердости в зоне оплавления стали У10 по сравнению с ее микротвердостью в зоне закалки из твердой фазы. При выборе режимов лазерного термоупрочнения необходимо учитывать, что увеличение содержания углерода в металле термообрабатываемых объемов свыше 0,6 % резко уменьшает темп прироста твердости. Оптимальным является создание в зоне нагрева условий, когда карбиды растворяются не полностью, а только в такой степени, чтобы обеспечить получение высокоуглеродистого мартенсита (0,6 % углерода), но избежать образования повышенного количества остаточного аустенита.

При обработке излучением волоконного лазера без оплавления поверхности инструмента из стали У8 зона оплавления отсутствует. На месте перлитных зерен образуется мелкодисперсный мартенсит. В зоне закалки из твердой фазы можно выделить две области: вверху — область растворенных карбидов, внизу — область нерастворенных карбидов.

В области растворенных карбидов твердый раствор насыщен углеродом, что приводит к образованию повышенного количества остаточного аустенита. В области нерастворенных карбидов остаточного аусте-нита значительно меньше, поэтому эта часть ЗТВ отличается максимальной твердостью. Поэтому заэвтектоидные стали рекомендуется упрочнять на режимах, обеспечивающих получение структур с нерас-творенными карбидами, т. е. проводить лазерную термическую обработку с наибольшими скоростями охлаждения. В нижней части ЗТВ цементит растворен не полностью. Переходная зона отсутствует, также как и в ЗЛВ стали 45 при обработке излучением волоконного лазера.

Микротвердость с усилением мощности до 1 кВт повышается, а при дальнейшем ее увеличении до 1,5 кВт уменьшается. Поскольку с растворением карбидов возрастает содержание остаточного аустени-та, в связи с чем микротвердость снижается.

В машиностроении широко применяют легированные стали, термическая обработка которых существенно повышает их эксплуатаци-

онные свойства. Установлена целесообразность проведения термической обработки низкоуглеродистых сталей мартенситного класса (20Х13), среднеуглеродистых легированных и высоколегированных сталей (40Х, 38ХМЮА, 65Г, 40Х13).

Диффузионная подвижность углерода в высоколегированных сталях уменьшается настолько, что трудно осуществить лазерную закалку при оптимальной степени аустенизации, т. е. с достаточным насыщением твердого раствора и минимальным растворением карбидной фазы. При малой мощности излучения может не достигаться насыщения аустенита, и при закалке образуются низкоуглеродистый мартенсит и остаточный аустенит. При большой энергии излучения возможно пересыщение аустенита за счет растворения карбидов и после охлаждения образование большого количества остаточного аустенита. Для высоколегированных сталей существует узкий интервал режимов, при которых мартенсит включает в себя достаточное количество углерода, а растворение карбидов находится в начальной стадии. Интервал режимов лазерной закалки определен для каждой стали и применять его можно как при обработке без оплавления, так и с минимальным оплавлением поверхности. В наибольшей степени это относится к высокохромистым (Х12, Х12М) и быстрорежущим сталям. Для получения микротвердости в указанных сталях 900.1050 НУ необходимо, чтобы после лазерной закалки в ЗЛВ имелись следующие фазы: мартенсит; карбиды; небольшое количество остаточного аустенита. Таким образом, проведенные исследования позволяют утверждать, что применение лазерной термической обработки (особенно излучением волоконного лазера) для сталей имеет большие перспективы, в основном для изделий, работающих в условиях интенсивного износа.

Наряду с лазерной термической обработкой сталей сотрудниками кафедры проводятся исследования особенностей формирования структуры и изменения свойств материала в шве и ЗТВ в процессе лазерной сварки и сварки комбинированными источниками (лазер + дуга, лазер + свет, лазер + лазер и т. д.).

Среднелегированные стали достаточно широко применяются в судостроении, машиностроении и других отраслях промышленности. Повышенное содержание углерода значительно затрудняет сварку этих сталей вследствие низкой стойкости шва к образованию кристаллизационных трещин, возникновения при сварке малопластичных закалочных структур, а также необходимости обеспечения равнопрочности металла шва с основным металлом и т. п. По структуре среднелегированные стали подразделяются на ферритно-перлитные, мартенситные или бей-нитно-мартенситные. В зависимости от структурного состояния стали обладают различной склонностью к хрупкому разрушению.

Полное содержание статьи: https://cyberleninka.ru/article/n/osobennosti-obrazovaniya-struktury-pri-lazernoy-obrabotke/pdf

Рекомендуем для Вас


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

Back to Top