научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ЛАЗЕРНОЙ ЗАКАЛКИ НА МИКРОТВЕРДОСТЬ И КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТИ ШТАМПОВЫХ СТАЛЕЙ Металлургия

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ЛАЗЕРНОЙ ЗАКАЛКИ НА МИКРОТВЕРДОСТЬ И КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТИ ШТАМПОВЫХ СТАЛЕЙ»

УДК 621.9.048.7

ВЛИЯНИЕ ЛАЗЕРНОЙ ЗАКАЛКИ НА МИКРОТВЕРДОСТЬ И КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТИ ШТАМПОВЫХ СТАЛЕЙ

© Аборкин Артемий Витальевич1, канд. техн. наук, e-mail: aborkin@vlsu.ru;

Ваганов Виктор Евгеньевич1, 2, канд. техн. наук, e-mail: vaganov-viktor-1953@yandex.ru; Шлегель Александр Николаевич1, канд. техн. наук, e-mail: shlegel81@rambler.ru;

Букарев Иван Михайлович1, e-mail: bukarev-ivan@rambler.ru.

1 ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых». Россия, г. Владимир

2 ФГБУ науки «Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения». Россия, Московская обл., г. Черноголовка

Статья поступила 02.04.2015 г.

Представлены результаты исследований влияния лазерной закалки без оплавления на структуру, микротвердость и качество поверхности предварительно термообработан-ной стали 4Х5МФС. Установлено влияние параметров технологического режима лазерной закалки (мощность лазерного излучения и скорость обработки) на структуру, микротвердость, размеры зоны лазерного воздействия и шероховатость обработанной поверхности. Показано, что лазерное термоупрочнение стали 4Х5МФС позволяет получать микротвердость поверхности порядка 675-750 НУ и шероховатость порядка 0,6-1,2 мкм. Также получены оценки влияния низкотемпературного отжига при 300 °С на изменение размеров и микротвердости зоны лазерной закалки.

Ключевые слова: лазерная закалка; штамповая сталь; микротвердость; шероховатость поверхности.

Лазерное термоупрочнение - один из распространенных методов повышения износостойкости рабочих поверхностей технологического инструмента, в том числе и деформирующего. В научно-технической литературе достаточно широко представлены результаты изучения влияния лазерного воздействия на микротвердость, структуру и фазовые превращения инструментальных сталей У10, Х12М, 40Х13, Р6М5, ХГВ, 9ХС [1-4 и др.]. Однако значительно менее изучены вопросы лазерного термоупрочнения штамповой стали 4Х5МФС, широко применяющейся для изготовления деформирующего инструмента, работающего при повышенной температуре. Известные работы, в основном, посвящены лазерной закалке стали 4Х5МФС с оплавлением [5-7].

Например, в работе [5] представлены результаты изучения микроструктуры, микротвердости и шероховатости поверхностного слоя при лазерной закалке с оплавлением штамповых сталей 3Х2В8Ф и 4Х5МФС. Обработку проводили с помощью непрерывного С02-лазера. Автором показано, что лазерная закалка с оплавлением позволяет получать твердость поверхностного слоя порядка 660-680 НУ и шероховатость поверхности Ка = 29,4-46,8 мкм.

Авторами работы [6] представлены результаты термоупрочнения с оплавлением поверхностного слоя штамповой стали Н13

(аналог 4Х5МФ1С) с помощью твердотельного лазера непрерывного излучения. Показано влияние технологических параметров (мощность излучения, скорость обработки и расфокусировка пятна лазера) на микротвердость и площадь упрочненной поверхности. Определены параметры технологического режима, позволяющие получать наибольшую твердость. Установлено, что лазерная термообработка с оплавлением позволяет получать поверхностную микротвердость исследуемой стали порядка 800 НУ. Также определено, что происходит изменение микроструктуры.

В работе [7] изучены различные методы лазерной обработки штамповой стали ""СЬ (аналог 4Х5МФС) с помощью С02-лазера. Рассмотрены следующие методы: лазерные закалка и наплавка порошка, лазерное легирование аморфным бором. Показано, что при лазерной закалке твердость порядка 60 НБ.С достигается в узком диапазоне режимов, обеспечивающих фазовый переход приповерхностных слоев металла из твердого состояния в жидкое. Кроме того, авторами представлены результаты испытаний на износ поверхностей, подвергнутых упрочнению. Согласно результатам исследований, несмотря на несколько меньшую твердость, наилучшей износостойкостью по сравнению с другими рассмотренными методами обладают образцы, подвергнутые лазерной закалке.

Таким образом, большинство исследований посвящены изучению лазерной закалки штамповых сталей в жидком состоянии, т.е. с оплавлением. Однако, учитывая возможность

использования лазерной закалки как финишной операции изготовления деформирующего инструмента или первого этапа комбинированной обработки, например, с последующим напылением покрытия [8], недопустимо оплавление поверхности, приводящее к значительному ухудшению ее морфологии. Это делает актуальными исследования по определению параметров технологического режима лазерной закалки, обеспечивающие одновременно повышение твердости поверхностного слоя штамповой стали 4Х5МФС до 670-740 НУ и сохранение морфологии поверхности, полученной в ходе финишной операции механической обработки (или ее незначительное ухудшение).

Цель работы - экспериментальное исследование влияния параметров технологического режима лазерной закалки штамповой стали 4Х5МФС на микротвердость и геометрию зоны лазерной закалки без оплавления, а также установление связи режимов лазерного термоупрочнения с параметрами шероховатости обработанной поверхности.

При проведении исследований использовали образцы из штамповой стали 4Х5МФС с шероховатостью поверхности Ка = 0,4 мкм. Элементный состав образцов, полученный с помощью рентгенофлуоресцентного спектрометра последовательного действия ЛИЬ ЛЭУЛЫТ'Х, приведен ниже (мас. %): С 0,39; 1,04; Мп 0,25; М 0,17; Б 0,01; Р 0,03; Сг 5,18; Мо 1,5; V 0,36; Си 0,15.

Образцы подвергали предварительной термической обработке, включающей закалку от 1020 °С с охлаждением в масле и последующий отпуск при 500 °С, что позволило получить микротвердость 520-550 НУ. Лазерное термоупрочнение поверхности образцов проводили с

Рис. 1. Качественное распределение плотности мощности в пятне излучения лазера за фокусом на расстоянии 35 мм:

I - интенсивность излучения; ¿п и п - диаметр и эффективный диаметр пятна лазерного луча

помощью С02-лазера МКТЛ-1500 номинальной мощностью 1,5 кВт с длиной волны X = 10,6 мкм (с равномерным распределением плотности мощности по поперечному сечению луча).

Диаметр пятна dп лазерного луча при обработке составил 8,5 мм, а эффективный диаметр пятна dэффп = 4,75 мм (рис. 1). Обработку образцов проводили с предварительным нанесением водорастворимого полимерного светопоглоща-ющего покрытия МСЦ-510. Мощность лазерного излучения P изменяли в диапазоне 650-750 Вт.

Необходимую скорость обработки с учетом выбранного светопоглощающего покрытия, как и в работе [9], уточняли экспериментально. Критерием оценки минимальной скорости обработки для отдельно взятой мощности являлось недопущение оплавления упрочняемой поверхности исследуемого образца, а максимальной - эффект термоупрочнения. Это позволило из интервала скорости обработки 5-15 мм/с выбрать рабочий диапазон изменения скоростей 8-10 мм/с, обеспечивающей высокие значения твердости обрабатываемой поверхности, но не приводящей к ее оплавлению. Металлографические исследования шлифов1 проводили с помощью оптических микроскопов Optika B-600MET и Optica SZ-CTV. Травление шлифов осуществляли в 5%-ном растворе азотной кислоты в этиловом спирте. Микротвердость измеряли как на поверхности обработки, так и на поперечных шлифах с помощью микротвердомера Shimadzu HMV-2 при нагрузке на индентор 10 Н и выдержке 10 с. Шероховатость обработанной поверхности изучали с помощью профилометра Surftest SJ-210 Mitutoyo. Значения параметров шероховатости определяли как среднее арифметическое результатов десяти измерений.

Оценку влияния режимов лазерной закалки на микротвердость поверхности и параметры шероховатости проводили с помощью метода планирования полного факторного эксперимента. В качестве варьируемых факторов принимали мощность излучения P и скорость обработки и. Значения варьируемых факторов и интервалы их варьирования представлены в таблице.

Матрица планирования включала четыре опыта (планирование 22). При построении модели применяли метод регрессионного анализа. Оценку значимости членов регрессионной зависимо-

'Авторы выражают благодарность А.В.Шакирову за помощь, оказанную при подготовке микрошлифов и измерении микротвердости.

Уровни и интервалы варьирования

Факторы Интервалы Уровни варьирования

варьирования -1 0 +1

Мощность излучения Р, Вт 50 650 700 750

Скорость обработки и, мм/с 1 8 9 10

660 680 700 720 Мощность излучения, Вт

740

Рис. 2. Влияние параметров технологического режима лазерной закалки на микротвердость (по шкале Виккерса) обработанной поверхности

сти проводили по критерию Стьюдента, проверку адекватности полученной модели проводили с помощью критерия Фишера.

Вначале была изучена поверхностная твердость образцов, подвергнутых лазерной закалке. На рис. 2 представлена графическая зависимость микротвердости поверхности стали 4Х5МФС от режимов лазерной термообработки. Изолинии характеризуют изменение функции микротвердости (числовые значения по шкале Виккерса указаны на линиях) на плоскости от двух переменных Р и V. Сравнительный анализ экспериментальных данных показывает, что в рассматриваемом диапазоне режимов микротвердость поверхности изменяется в интервале 675-750 НУ, что превосходит твердость обрабатываемого материала на 18-26%. Большие значения микротвердости соответствуют максимальной2 мощности излучения и минимальной скорости обработки, меньшие - минимальной мощности излучения и максимальной скорости обработки. Можно отметить, что изменение скорости обработки оказывает несколько большее влияние на микротвердость

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

Расстояние от поверхности, мм

Рис. 3. Изменение микротвердости по глубине зоны лазерного воздействия: 1 - Р = 750 Вт, и = 10 мм/с; 2 - Р = 650 Вт, и = 10 мм/с; 3 - Р = 750 Вт, и = 8 мм/с;

4 - Р = 650 Вт, и = 8 мм/с

поверхности, чем изменение мощности лазерного излучения.

Ширина зоны лазерной закалки на обрабатываемой поверхности, обусловленная воздействием лазерного луча, во всех опытах изменялась в диапазоне 4,44-4,89 мм, причем большие значения соответствуют опытам с наибольшей мощностью излучения. Полученные данные о ширине зоны лазерной закалки хорошо коррел

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Металлургия»