employee
Vladimir, Vladimir, Russian Federation
employee
Vladimir, Vladimir, Russian Federation
Russian Federation
graduate student from 01.01.2025 until now
Vladimir, Vladimir, Russian Federation
Russian Federation
employee
Vladimir, Vladimir, Russian Federation
UDC 621.789
The effect of the modes of laser strengthening treatment for 40Cr steel parts surfaces on the dimensions, structure and properties of these parts was investigated. The studies were carried out on samples measuring 10×10×20 mm of a massive steel feed obtained by electroerosion cutting. The hardness of the material of the cut samples was 42HRC. The geometric dimensions of the samples were measured using an electronic didimar CX2 altitude marking gauge with an accuracy of 0,001 mm. The measurements were performed before and after the laser treatment. The laser treatment was performed using a universal robotic complex with a robot M0710iC/50 laser module equipped with an LS-5 fiber ytterbium laser having a rate of 5 kW. The power of the laser radiation and the speed of movement of the laser beam were varied. The diameter of the laser spot remained constant in all cases and was 7 mm. The hardness of the sample material before and after laser treatment was measured using the Rockwell method using a TN-301 hardness tester. The microstructure of the samples was studied by optical metallography on transverse etched sections using a MET 1c optical digital microscope. It was found that laser treatment contributes to changes in geometric dimensions, volume and hardness of the studied samples material. These changes depend on the energy density of the laser radiation acting on the treated surface of the sample. This dependence is extreme. The maximum values of all these changes are observed at a laser treatment energy density of 32,86 J/mm2. As the energy density increases further, the magnitude of these changes decreases. The reason for the changes in the geometric dimensions and hardness of the samples is the martensitic transformation that occurs in the surface layers of 40Cr steel under the influence of laser irradiation and is accompanied by a change in the volume of these outer zones in the work material. The results of the study should be taken into account in the manufacturing technology of 40Cr steel parts for precision mechanics subjected to laser strengthening treatment.
40Cr steel, laser strengthening, geometric dimensions, volume, hardness, martensitic transformation
Введение
Лазерная обработка поверхности деталей с целью упрочнения в настоящее время широко применяется в машиностроении [1 – 9]. В результате такой обработки можно значительно увеличить твёрдость и износостойкость поверхностных слоёв материала детали сохраняя неизменными все механические характеристики его внутренних слоёв. Однако известно, что при этом объём и геометрические размеры детали могут измениться [10, 11]. Это связано с фазовыми превращениями, происходящими в материале детали вследствие воздействия на него интенсивного теплового излучения лазера. Поэтому размерную обработку упрочняемой поверхности детали, которая, как правило, проводится до упрочняющей лазерной обработки, следует проводить с учётом возможного изменения геометрических размеров этой детали. Для этого необходимо знать характер и величину изменений геометрических размеров детали, вызываемых лазерной обработкой. Информация об этом в технической литературе, как правило, отсутствует.
Цель работы – выявить характер и количественные значения изменений геометрических размеров и твёрдости материала образцов из стали 40Х после лазерной обработки их поверхности при различной плотности энергии лазерного излучения.
Материал и методы исследования
Материалом исследования являлась сталь 40Х по ГОСТ 4543-2016. Химический состав стали 40Х в % масс.: С = 0,36…0,44;
Сr = 0,8…1,1; Mn = 0,5…0,8; Si = 0,17…0,37;
Ni = до 0,3; Cu = до 0,3; S = до 0,035;
Р = до 0,035; Fe – остальное. Исследования проводили на образцах размерами 10×10×20 мм, вырезанных из массивной заготовки методом электроэрозионной резки. Твёрдость материала образцов составляла 42HRC. Стороны образцов обозначали буквами, как показано на рис. 1.
Реальные размеры каждого образца измеряли при помощи электронного высотомера-рейсмаса Digimar CX2 (Mahr GmbH, Германия) до и после лазерной обработки с точностью до 0,001 мм = 1 мкм.
Лазерную обработку образцов проводили по поверхности А (рис. 1) при помощи универсального роботизированного комплекса с лазерным модулем Robot M0710iC/50 (Fanuc, Япония), оснащённым волоконным иттербиевым лазером ЛС-5 (ИРЭ-Полюс, Россия) мощностью 5 кВт. Варьировали мощность лазерного излучения и скорость перемещения лазерного луча. Диаметр лазерного пятна во всех случаях оставался постоянным и равнялся
7 мм. Плотность энергии лазерного излучения обрабатываемой поверхности, ρ, определяли по формуле
, (1)
где Р – мощность лазерного излучения, Вт;
v – скорость перемещения лазерного луча, мм/с; d – диаметр лазерного пятна, мм.
Режимы лазерной обработки образцов приведены в табл. 1.
Твёрдость поверхности образцов измеряли по методу Роквелла при помощи твердомера ТН-301 (Time Group Inc., Китай).
Микроструктуру образцов исследовали на поперечных травленных шлифах при помощи оптического цифрового микроскопа МЕТ 1С
(Альтами, Россия). В качестве травителя
использовали 4 %-ный спиртовой раствор азотной кислоты.
Геометрические размеры исследуемых образцов измеряли до и после лазерной обработки. Изменение размеров после лазерной обработки определяли как разность величин размеров образца после лазерной обработки и размеров этого же образца до лазерной обработки. По результатам измерений геометрических размеров расчётным путём определяли объём образца и его изменение после лазерной обработки. Результаты приведены в табл. 2.
Из табл. 2 видно, что лазерная обработка даже какой-то одной поверхности (в нашем случае это поверхность А) приводит к изменению всех геометрических размеров образца. Причём может происходить как увеличение, так и уменьшение размеров по разным направлениям (по длине, ширине и высоте образца). Величина и знак этих изменений зависят от режима лазерной обработки, а именно от плотности энергии лазерного излучения.
По результатам проведённых измерений для наглядности были построены графики зависимости значений Δа, Δb, Δс и Δоб. исследуемых образцов от плотности энергии лазерного излучения при лазерной обработке поверхности А этих образцов (рис. 2 и рис. 3).
Как видно из рис. 2 и 3, зависимости изменения линейных размеров и объёма от плотности энергии лазерной обработки имеют экстремальный характер. Максимальные изменения размеров и объёма образцов происходят при лазерной обработке поверхности с плотностью лазерного излучения
ρ = 32,86 Дж/мм². Особенно сильно изменяется размер по высоте образца (размер b). Этот размер увеличивается на 89 мкм. При этом размер по ширине образца (размер с) уменьшается на 29 мкм.
График зависимости твёрдости поверхности образцов из стали 40Х от значения плотности энергии лазерной обработки этой поверхности приведен на рис. 4.
Как видно из рис. 4, наибольшее значение твёрдости наблюдается на образце 5, обработанном при плотности лазерной энергии
ρ = 32,86 Дж/мм². Таким образом характер зависимостей изменения геометрических размеров, объёма и твёрдости от значения плотности лазерной энергии при проведении лазерной обработки поверхности образцов из стали 40Х является одинаковым. Значения экстремумов на графиках этих зависимостей находятся при одном и том же значении плотности лазерной энергии. Это означает, что и изменение геометрических размеров образца, и изменение его объёма и твёрдости связано с протеканием одного и того же процесса в материале обрабатываемого образца. Таким процессом, по-видимому, является мартенситное превращение, которое, как известно, происходит с увеличением объёма материала и сопровождается увеличением его твёрдости [10]. Количество образовавшегося мартенсита определяет значения объёмных изменений в материале образца, а следовательно, и значения изменений геометрических размеров этого образца, а также значения твёрдости материала обработанной поверхности образца. Чем больше мартенсита образуется в результате лазерной обработки, тем в большей степени увеличится объём материала образца в зоне термического влияния лазерного излучения, тем в большей степени изменятся геометрические размеры образца и тем выше станет твёрдость материала обработанной поверхности образца.
Из рис. 2 – 4 видно также, что увеличение твёрдости, увеличение значений изменения объёма и геометрических размеров образцов происходят лишь до определённой величины нарастания плотности лазерной энергии (до ρ = 32,86 Дж/мм²). При дальнейшем её нарастании твёрдость материала, а также значения изменения объёма и геометрических размеров образцов снижаются. Причиной этого может быть уменьшение в структуре материала образца количества образовавшегося мартенсита и увеличение остаточного аустенита. Это предположение подтверждается микроструктурой материала обработанных образцов в зоне термического влияния лазерного излучения (рис. 5).
Выводы
1. Лазерная упрочняющая обработка детали из стали 40Х приводит к изменению объёма, геометрических размеров этой детали и твёрдости обрабатываемой поверхности.
2. Величина этих изменений зависит от величины плотности энергии лазерного излучения обрабатываемой поверхности детали. Зависимость эта имеет экстремальный характер.
3. Максимальные значения всех этих изменений (изменения объёма, геометрических размеров и твёрдости) наблюдаются при плотности энергии лазерной обработки
ρ = 32,86 Дж/мм². При дальнейшем увеличении значения ρ величина этих изменений уменьшается.
4. Причиной изменения объёма, геометрических размеров и твёрдости детали из стали 40Х является мартенситное превращение, вызванное лазерной обработкой. Величина этих изменений обуславливается масштабами мартенситного превращения.
5. Изменения, происходящие при лазерной упрочняющей обработке поверхностей деталей из стали 40Х, следует учитывать в технологии изготовления деталей для изделий точной механики, особенно при окончательной размерной обработке этих деталей.
1. Grigoryants A. G. Fundamentals of laser tratment of materials. Moscow: Mechanical engineering. 1989, 304p.
2. Grigoryants A.G. Manufacturing methods of laser treatment. Moscow: Bauman Moscow State Technical University. 2006, 663p.
3. Tarasova T.V. Prospects of using laser radiation to improve wear resistance of corrosion-resistant steels // Metal science and heat treatment of metals. 2010. No. 6. pp. 54−58.
4. Mezhevov V.S., Petrovsky V.N. Processing of materials using high-power fiber lasers // RHYTHM, 2008. No. 4 (34), pp. 49−50.
5. Vorobyeva G.M. Improving the wear resistance of steel surfaces by laser treatment / / Proceedings of the Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences. 2011, pp. 14−17.
6. Kostyuk G.I., Rudenko N.V. Laser hardening alloy steels // Aircraft manufacturing technology. 2012. pp. 23−27.
7. Pechnikov I.S., Zavitkov A.V., Liuchter A.B. Laser strengthening of the working surface of the cylinder of an internal combustion engine / / Engine engineering: intersectorial scientific and technical industrial magazine. 2024. No. 3, pp. 21−27.
8. Zavitkov A.V. Study of the effect of laser thermo-hardening on the wear resistance of camshaft contact surfaces// Innovations. Technologies. Production: proceedings of the IX-th International Technological Forum. Rybinsk. 2023. No. 2 (65), pp. 90−96.
9. Loktev A.S., Zavitkov A.V., Pechnikov I. S., Liuchter A. B. Investigation of the effect of laser thermal hardening on the parameters of the hardened layer and radial beam of the shaft // Science-intensive technologies in mechanical engineering. 2025. No. 11 (173), pp. 24−31. doi:https://doi.org/10.30987/2223-4608-2025-11-24-31
10. Chudina O.V., Gladova G.B. Ostroukh A.V. Theory and practice of heat treatment of metals. Moscow: MADI. 2013, p. 64.
