сотрудник
Владимир, Владимирская область, Россия
сотрудник
Владимир, Владимирская область, Россия
Россия
аспирант с 01.01.2025 по настоящее время
Владимир, Владимирская область, Россия
Россия
сотрудник
Владимир, Владимирская область, Россия
УДК 621.789 Изменение структуры, упрочнение, повышение вязкости, отпуск и т.д. прочими способами (кроме перечисленных в 621.78/.787, например термомеханической и механотермической обработкой, регулируемым ускореннным охлаждением металла с прокатного нагрева (сорбитизация), охлаждением в магнитном поле, посредством вибрации (в частности, ультразвуковыми колебаниями) и т.д.)
Исследовали влияние режимов упрочняющей лазерной обработки поверхности деталей из стали 40Х на размеры, структуру и свойства этих деталей. Исследования проводили на образцах размерами 10×10×20 мм, вырезанных из массивной заготовки методом электроэрозионной резки. Твёрдость материала вырезанных образцов составляла 42HRC. Геометрические размеры образцов измеряли при помощи электронного высотомера-рейсмаса Didimar CX2 с точностью до 0,001мм. Измерения проводили до и после лазерной обработки. Лазерную обработку проводили при помощи универсального роботизированного комплекса с лазерным модулем Robot M0710iC/50, оснащённым волоконным иттербиевым лазером ЛС-5 мощностью 5 кВт. Варьировали мощность лазерного излучения и скорость перемещения лазерного луча. Диаметр лазерного пятна во всех случаях оставался постоянным и равнялся 7 мм. Твёрдость материала образцов до и после проведения лазерной обработки измеряли по методу Роквелла при помощи твердомера ТН-301. Микроструктуру образцов исследовали методом оптической металлографии на поперечных травленных шлифах при помощи оптического цифрового микроскопа МЕТ 1С. Было установлено, что лазерная обработка приводит к изменению геометрических размеров, объёма и твёрдости материала исследуемых образцов. Изменения эти зависят от плотности энергии лазерного излучения, воздействующего на обрабатываемую поверхность образца. Эта зависимость имеет экстремальный характер. Максимальные значения всех этих изменений наблюдаются при плотности энергии лазерной обработки 32,86 Дж/мм². При дальнейшем увеличении плотности энергии величина этих изменений уменьшается. Причиной изменений геометрических размеров и твёрдости образцов является мартенситное превращение, происходящее в поверхностных слоях стали 40Х под воздействием лазерного облучения и сопровождающееся изменением объёма этих поверхностных слоёв материала. Результаты исследования необходимо учитывать в технологии изготовления деталей из стали 40Х для точной механики, подвергаемых лазерному упрочнению.
сталь 40Х, лазерное упрочнение, геометрические размеры, объём, твёрдость, мартенситное превращение
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. Григорянц А.Г. Основы лазерной обработки материалов. М.: Машиностроение. 1989. 304с.
2. Григорянц А.Г. Технологические процессы лазерной обработки М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2006. 663с.
3. Тарасова Т.В. Перспективы использования лазерного излучения для повышения износостойкости коррозионностойких сталей // Металловедение и термическая обработка металлов. 2010. № 6. С. 54–58.
4. Межевов В.С., Петровский В.Н. Обработка материалов с помощью мощных волоконных лазеров // РИТМ, 2008. № 4 (34). С. 49–50.
5. Воробьёв Г.М. Повышение износостойкости стальных поверхностей путём лазерной обработки // Известия Самарского научного центра РАН. 2011. С. 14–17.
6. Костюк Г.И., Руденко Н.В. Лазерное упрочнение легированных сталей // Технология производства летательных аппаратов. 2012. С. 23–27.
7. Печников И.С., Завитков А.В., Люхтер А.Б. Лазерное упрочнение рабочей поверхности цилиндра двигателя внутреннего сгорания // Двигателестроение: межотраслевой науч. -техн. и произв. журн. 2024. № 3. С. 21–27.
8. Завитков А.В. Исследование влияния лазерного термоупрочнения на износостойкость контактных поверхностей распределительных валов // Инновации. Технологии. Производство: материалы IX Международный технологический форум. Рыбинск. 2023. № 2 (65). С. 90–96.
9. Локтев А.С., Завитков А.В., Печников И.С., Люхтер А.Б. Исследование влияния лазерного термоупрочнения на показатели упрочненного слоя и радиальное биение вала // Наукоёмкие технологии в машиностроении. 2025. № 11 (173). С. 24–31. doi:https://doi.org/10.30987/2223-4608-2025-11-24-31
10. Чудина О.В., Гладова Г.В., Остроух А.В. Теория и практика термической обработки металлов. М.: МАДИ. 2013. 64 с.
