eng
Выпуск #6/2019
В.П.Бирюков, С.А. Шмелев, А.В. Богданов, М.В. Таксанц, В.Г. Штамм, С.А. Успенский
Лазерное упрочнение сталей прямоугольным пятном для повышения ресурса их работы
Лазерное упрочнение сталей прямоугольным пятном для повышения ресурса их работы
Просмотры: 2841
Стремительное развитие источников лазерного излучения и внешних оптических систем требует совершенствования методов расчета геометрических параметров упрочненных зон. В работе представлен краткий обзор по лазерному упрочнению сталей лазерным пятном прямоугольной формы. Приведены результаты расчета глубины и ширины упрочненных зон колесной стали лазерным пятном прямоугольной формы, полученные по уравнениям регрессии первого порядка, при равной погонной энергии излучения. Показано, что при лазерном упрочнении на различных режимах износостойкость колесной стали повышается в 2,14–3 раза, при этом снижается изнашивание рельсовой стали.
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2019.13.6.532.537
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2019.13.6.532.537
Теги: laser hardening microhardness wear intensity интенсивность изнашивания лазерное упрочнение микротвердость
Лазерное упрочнение сталей прямоугольным пятном для повышения ресурса их работы
В. П. Бирюков1, С. А. Шмелев2, А. В. Богданов3, М. В. Таксанц3, В. Г. Штамм2, С. А. Успенский2
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А. А. Благонравова РАН. Москва, Россия; laser‑52@yandex.ru
ООО НТО «ИРЭ-Полюс», г. Фрязино, Моск. обл., Россия
МГТУ им. Н. Э. Баумана, Москва, Россия
Стремительное развитие источников лазерного излучения и внешних оптических систем требует совершенствования методов расчета геометрических параметров упрочненных зон. В работе представлен краткий обзор по лазерному упрочнению сталей лазерным пятном прямоугольной формы. Приведены результаты расчета глубины и ширины упрочненных зон колесной стали лазерным пятном прямоугольной формы, полученные по уравнениям регрессии первого порядка, при равной погонной энергии излучения. Показано, что при лазерном упрочнении на различных режимах износостойкость колесной стали повышается в 2,14–3 раза, при этом снижается изнашивание рельсовой стали.
Ключевые слова: лазерное упрочнение, микротвердость, интенсивность изнашивания
Статья получена: 03.09.2019. Принята к публикации: 04.10.2019.
Laser Hardening of Steels
with a Rectangular Spot to Increase
Their Service Life
V. P. Biryukov1, S. A. Shmelev2, A. V. Bogdanov3, M. V. Taskans3, V. G. Shtamm2, S. A. Uspenskiy2
Federal state budgetary Institution of Science A. A. Blagonravova Russian Academy of Machines Sciences, Moscow, Russia; laser‑52@yandex.ru
LLC NTO «IRE-Polus», Fryazino, Moscow region, Russia
Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia
The rapid development of laser radiation sources and external optical systems requires improvement of methods for calculating the geometric parameters of hardened zones. The paper presents a brief overview of laser hardening steels laser spot rectangular shape. The results of the calculation of the depth and width of the hardened zones of the wheel steel rectangular spot, obtained by the regression equations of the first order, with equal linear radiation energy. It is shown that the wear resistance of the wheel steel increases by 2.14–3 times with a decrease in the wear of the rail steel during laser hardening in different modes.
Keywords: laser hardening, microhardness, wear intensity
Received: 03.09.2019. Accepted: 04.10.2019.
Введение
Применение новых технологических процессов с использованием лазерного излучения сдерживается недостаточной изученностью влияния параметров лазерной обработки, мощности, скорости перемещения луча и их взаимного влияния на параметры отклика системы, т. е. на глубину, ширину и твердость упрочненного слоя. Вторым немаловажным фактором является производительность процесса, которая возрастает с появлением новых типов лазерных источников и оптических внешних систем.
Лазерное упрочнение углеродистой стали AISI 4130 проводилось при помощи диодного лазера высокой мощности с использованием методологии расчета на основе поверхности отклика [1]. В качестве входных технологических параметров рассматривалась скорость сканирования поверхности 4–7 мм / с, мощность лазера 1 200–1 600 Вт и положение фокальной плоскости относительно поверхности образца или дефокусировка 0–20 мм.
Размер лазерного пятна в фокальной плоскости составлял 1,5 × 8 мм. В качестве характеристик, полученных в результате обработки откликов системы, рассматривалась геометрия сечения упрочненной поверхности, средняя микротвердость и процентное содержание ферритной фазы. Было выявлено, что при снижении скорости сканирования и увеличении мощности лазера происходит увеличение геометрических размеров зоны упрочнения и ее твердости. При проведении оптимизации режимов лазерного упрочнения стали AISI 4130 установлено, что скорость сканирования V = 4,45 мм / с, мощность лазера P = 1 491 Вт, положение фокальной плоскости F = 62 мм, при этих параметрах плотность мощности составляет 84 Вт / мм2. При оптимальных режимах обработки твердость повышается до 798 HV и в 3 раза превышает твердость основного металла 265 HV при глубине 1,310 мм и ширине 9,883 мм упрочненной зоны. Установлено, что лазерная закалка с перекрытием дорожек 50% имеет более однородную твердость поверхности образца, чем при перекрытии дорожек 30%. Лазерное упрочнение поверхности углеродистой стали AISI 4130 приводит к изменению исходных фаз основного металла на мартенситную фазу. Выявлено, что меньшее процентное содержание феррита в фазах микроструктуры способствует повышению твердости. Изменение положения головки от фокальной плоскости в пределах 20 мм приводит к изменению средней микротвердости в пределах от 700 до 300 HV, что негативно скажется при обработке фасонных поверхностей, имеющих значительное отклонение от горизонтальной плоскости.
Лазерное упрочнение улучшенной стали AISI P20 с размерами образцов 100 × 150 × 15 мм проводили с использованием диодного лазера с максимальной мощностью 4 кВт лазерным пятном в фокальной плоскости 24 × 1 мм [2]. Скорость сканирования луча лазера составляла 5,0 мм / с, фокусное расстояние 310 мм, плотность лазерной энергии 220, 315 и 420 Дж / мм2 при температуре поверхности образца 1 000, 1 200 и 1 500 °C. Для испытаний на фреттинг-износ использовали машину возвратно-поступательного трения RFW160, контробразцом был шарик из Al2O3 диаметром 10 мм. Размер образцов составлял 40 × 40 × 10 мм. Испытания выполняли при нормальных нагрузках 10, 20 и 30 Н, количестве циклов 30 000, частоте микро перемещений 4 Гц, и амплитуде смещения 300 мкм. Испытание на износ без смазочного материала проводилось по схеме ролик–колодка на машине трения BRW‑150. Наружный диаметр ролика из стали S45C составлял 45 мм, тогда как размер колодки 16 × 5 × 10 мм. Скорость скольжения и расстояние составляло 0,236 м / с и 1 300 м соответственно, при нормальной нагрузке 170, 255 и 340 Н. При лазерной обработке с плотностью энергии 420 Дж / мм2 в среднем глубина зоны закалки составляла 754 ± 44 мкм, тогда как при 220 и 315 Дж / мм2 глубина зон составляла 490 ± 35 и 631 ± 25 мкм соответственно. Твердость упрочненных слоев составляла 545, 610 и 657 HV при 220, 420 и 315 Дж / мм2 соответственно, что значительно выше, чем твердость материала основы 307 HV. При испытании на фреттинг-износ меньшие значения коэффициента трения получены на образцах закаленных с плотностью энергии 315 и 420 Дж / мм2. Совокупная потеря массы составляет 3,76 ∙ 10–3 мм3 на 10 000 циклах и 7,71 ∙ 10–3 мм3 на 30 000 циклов. Износ при 30 000 циклов уменьшился на 44,6% по сравнению с материалом основы. Испытания на износ по схеме ролик–колодка показали, что износостойкость повышается при увеличении поверхностной твердости.
Валы диаметром 50 мм из стали 42CrMo4 (AISI 4140) были закалены с использованием гомогенизированного лазерного пятна с размером пятна 16 × 4 мм2 с оптимизированным распределением интенсивности излучения [3]. Обработка на скоростях 400 и 500 мм / мин позволила получить упрочненные слои толщиной 1 и 0,72 мм соответственно.
Образцы стали 40Х с размерами 10 × 10 × 30 мм упрочняли с помощью диодного лазера компании Laserline LDF 6000-100 [4]. Размер лазерного пятна на поверхности образца составлял 25 × 6 мм. Максимальная микротвердость упрочненного слоя составила 697 ± 11 HV0,5. Она получена при мощности излучения 1 150 Вт и скорости сканирования луча 8 мм / с, что в 3 раза выше твердости материала основы 230 ± 3 HV0,5. Глубина слоя составила 913,5–964,5 мкм. Для испытаний на ударно-абразивное изнашивание использовали машину трения MLD‑10. Энергия удара составляла около 2,5 Дж. В качестве контробразца использовали ролик из стали 40Х с наружным диаметром 59 мм с твердостью 57 HRC. Частота вращения ролика 200 мин–1. В зону трения подавался кварцевый песок с размером частиц 2 000–4 000 мкм с твердостью 800–1 200 HV. Его расход был 40 кг / ч. Продолжительность испытаний 20 мин. Испытания на ударно-абразивное изнашивание показали, что износостойкость закаленных лазером образцов в два раза выше материала основы.
Целями работы были задачи определения влияния дефокусировки прямоугольного луча волоконного лазера на глубину и ширину зон лазерного упрочнения, проведение полного факторного эксперимента на линейных участках и определение износостойкости колесной стали.
Методика проведения исследований
Лазерное упрочнение образцов колесной стали выполняли на фрагментах колеса толщиной 30 мм с помощью лазерного комплекса на основе волоконного лазера ЛС10, оснащенного оптическим формирователем, состыкованным с коллиматором IPG D50F120 и закрепленными на подвижном фланце руки робота KR120HA. Диаметр транспортного волокна 200 мкм. С помощью цилиндрической линзы и ортогонально ей расположенной призме Френеля получено лазерное пятно в фокальной плоскости 11 × 1 мм [5]. Обработку выполняли при мощности излучения лазера 5 000 и 8 600 Вт, скорости перемещения луча 20 и 30 мм / с, дефокусировке луча в пределах 100–190 мм. Металлографические исследования проводили с использованием микротвердомера ПМТ‑3 при нагрузке 0,98 Н, цифрового микроскопа АМ413МL, металлографического микроскопа Альтами МЕТ 1С.
Образцы для испытаний на износ с размерами 12 × 20 × 70 мм фрезеровали из фрагментов колесной стали. Испытания на износ проводили на машине трения МТУ‑01 по схеме плоскость (колесная сталь)–кольцо (рельсовая сталь). В качестве смазочного материала использовалась пластичная смазка «ПУМА». Удельное давление составляло 1 МПа, скорость скольжения 1,57 м / с.
С помощью метода полного факторного эксперимента (ПФЭ) определяли влияние режимов обработки на параметры упрочненных дорожек [6]. 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 в 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 250 Дж / мм на рис. 1 (а, б). Глубина и ширина зоны закалки изменяется линейно в интервале 100–160 мм и, поэтому этот участок можно описать уравнениями регрессии первого порядка [6].
Во второй серии экспериментов получены уравнения регрессии при дефокусировке луча 100–160 мм. Глубина зон упрочнения:
H = 0,976255 + 0,26125 x1 + 0,06375 x3 – 0,06875 x1 x2 –
– 0,07625 x1 x3 – 0,03125 x2 x3, (1)
где x1 – мощность излучения Р(Вт); x2 – скорость V (мм / с); x3 – расстояние до фокальной плоскости Z (мм).
Ширина зоны упрочнения:
B = 14,75 + 1,65 x1 – 1,075 x2 – 0,475 x3 – 0,525 x1 x3 –
– 0,35 x2 x3 – 0,65 x1 x2 x3. (2)
По уравнениям регрессии (1–2) 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 с их помощью построены сравнительные поверхности для визуализации этих функций (рис. 2).
Анализ результатов расчетов показал, что превалирующее влияние на геометрические параметры зон закалки имеет мощность излучения (рис. 2а, б). С увеличением мощности растут ширина и глубина зоны закалки. Экспериментальные результаты и теоретические расчеты подтвердили, что с ростом скорости перемещения глубина и ширина закаленных зон уменьшается, а с увеличением дефокусировки глубина и ширина зон закалки возрастает.
На рис. 3 представлены микрошлифы зон упрочнения колесной стали, полученные при разных технологических режимах: режим А (Р = 7,6 кВт, V = 20 мм / c, Z = 130 мм), режим Б (Р = 8,6 кВт, V = 20 мм / c, Z = 160 мм) и режим В (Р = 8,6 кВт, V = 20 мм / c, Z = 190 мм). Микротвердость зон лазерной закалки изменялась в пределах 7 500–8 500 МПа. Обработка при равной погонной энергии излучения 250 Дж / мм дает близкие по микротвердости и геометрическим параметрам зоны лазерной закалки.
По результатам испытаний на изнашивание установлено, что максимальная износостойкость, величина, обратная интенсивности изнашивания, получена при лазерной закалке по режиму А (рис. 4). Она превышает износостойкость материала основы образца в три раза. Следует отметить, что режимы Б и В также имеют достаточную износостойкость, и обеспечивают большую ширину 18 138–19 212 мкм и глубину закаленного слоя 1 646–1 650 мкм соответственно, и могут быть использованы для упрочения гребней колес как для пассажирского, так и для грузового подвижного состава. Меньшая интенсивность изнашивания рельсовой стали, полученная при испытании образцов упрочненных на трех режимах лазерной закалки, приведет к повышению ресурса работ в целом пары колесо–рельс.
Использование прямоугольного лазерного пятна повышает производительность процесса лазерной закалки в 2–3 раза по сравнению с обработкой круглым пятном.
Выводы
В рамках проекта была найдена зависимость влияния на геометрические параметры зон лазерного упрочнения (глубину и ширину) дефокусировки прямоугольного луча волоконного лазера. Проведенные исследования привели к следующим выводам:
Получены линейные уравнения регрессии при дефокусировке луча в диапазоне 100–160 мм, позволяющие рассчитать глубину и ширину зон закалки с погрешностью не более 5%.
Построены поверхности, визуализирующие закономерность изменения параметров закаленных зон от режимов обработки.
Обнаружено, что интенсивность изнашивания упрочненной лазерным лучом колесной стали в 2,14–3 раза ниже материала основы колеса в зависимости от режимов обработки.
Вклад членов авторского коллектива в работу
Идея проведения эксперимента, организация и руководство проектом: В. П. Бирюков и А. В. Богданов; дизайн эксперимента: В. П. Бирюков, М. В. Таксанц; проведение эксперимента: С. А. Шмелев, В. Г. Штамм и С. А. Успенский; обработка результатов: В. П. Бирюков и С. А. Шмелев. Все авторы внесли вклад в написание рукописи.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Moradi M., Karami Moghadam M. High power diode laser surface hardening of AISI 4130; statistical modelling and optimization. Optics and Laser Technology 111 (2019) 554–570
Park C., et al. Influence of laser surface engineering of AISI P20-improved mold steel on wear and corrosion behaviors.Surface and Coatings Technology. 2019;377:124852. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2019.08.006.
Klocke F., Schulz M. Gräfe S. Optimization of the Laser Hardening Process by Adapting the Intensity Distribution to Generate a Top-hat Temperature Distribution Using Freeform Optics. Coatings. 2017; 7(6): 77; doi:10.3390/coatings7060077.
Chen Z. et al. Behaviors of 40Cr steel treated by laser quenching on impact abrasive wear. Optics and Laser Technology. 2018; 103:118–125.
Богданов А.В., Соколов В. И., Шмелев С. А. Выбор оптимальных конфигураций оптических схем для задачи лазерной термообработки стальных изделий. Наукоемкие технологии в машиностроении. 2017; 10:32–37.
Bogdanov A. V., Sokolov V. I., SHmelev S. A. Vybor optimal'nyh konfiguracij opticheskih skhem dlya zadachi lazernoj termoobrabotki stal'nyh izdelij. Naukoemkie tekhnologii v mashinostroenii. 2017; 10:32–37.
Евдокимов Ю. А., Колесников В. И., Тетерин А. И. Планирование и анализ экспериментов при решении задач трения и износа. – М: Наука. 1980. Evdokimov YU.A., Kolesnikov V. I., Teterin A. I. Planirovanie i analiz eksperimentov pri reshenii zadach treniya i iznosa. – M: Nauka. 1980.
В. П. Бирюков1, С. А. Шмелев2, А. В. Богданов3, М. В. Таксанц3, В. Г. Штамм2, С. А. Успенский2
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А. А. Благонравова РАН. Москва, Россия; laser‑52@yandex.ru
ООО НТО «ИРЭ-Полюс», г. Фрязино, Моск. обл., Россия
МГТУ им. Н. Э. Баумана, Москва, Россия
Стремительное развитие источников лазерного излучения и внешних оптических систем требует совершенствования методов расчета геометрических параметров упрочненных зон. В работе представлен краткий обзор по лазерному упрочнению сталей лазерным пятном прямоугольной формы. Приведены результаты расчета глубины и ширины упрочненных зон колесной стали лазерным пятном прямоугольной формы, полученные по уравнениям регрессии первого порядка, при равной погонной энергии излучения. Показано, что при лазерном упрочнении на различных режимах износостойкость колесной стали повышается в 2,14–3 раза, при этом снижается изнашивание рельсовой стали.
Ключевые слова: лазерное упрочнение, микротвердость, интенсивность изнашивания
Статья получена: 03.09.2019. Принята к публикации: 04.10.2019.
Laser Hardening of Steels
with a Rectangular Spot to Increase
Their Service Life
V. P. Biryukov1, S. A. Shmelev2, A. V. Bogdanov3, M. V. Taskans3, V. G. Shtamm2, S. A. Uspenskiy2
Federal state budgetary Institution of Science A. A. Blagonravova Russian Academy of Machines Sciences, Moscow, Russia; laser‑52@yandex.ru
LLC NTO «IRE-Polus», Fryazino, Moscow region, Russia
Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia
The rapid development of laser radiation sources and external optical systems requires improvement of methods for calculating the geometric parameters of hardened zones. The paper presents a brief overview of laser hardening steels laser spot rectangular shape. The results of the calculation of the depth and width of the hardened zones of the wheel steel rectangular spot, obtained by the regression equations of the first order, with equal linear radiation energy. It is shown that the wear resistance of the wheel steel increases by 2.14–3 times with a decrease in the wear of the rail steel during laser hardening in different modes.
Keywords: laser hardening, microhardness, wear intensity
Received: 03.09.2019. Accepted: 04.10.2019.
Введение
Применение новых технологических процессов с использованием лазерного излучения сдерживается недостаточной изученностью влияния параметров лазерной обработки, мощности, скорости перемещения луча и их взаимного влияния на параметры отклика системы, т. е. на глубину, ширину и твердость упрочненного слоя. Вторым немаловажным фактором является производительность процесса, которая возрастает с появлением новых типов лазерных источников и оптических внешних систем.
Лазерное упрочнение углеродистой стали AISI 4130 проводилось при помощи диодного лазера высокой мощности с использованием методологии расчета на основе поверхности отклика [1]. В качестве входных технологических параметров рассматривалась скорость сканирования поверхности 4–7 мм / с, мощность лазера 1 200–1 600 Вт и положение фокальной плоскости относительно поверхности образца или дефокусировка 0–20 мм.
Размер лазерного пятна в фокальной плоскости составлял 1,5 × 8 мм. В качестве характеристик, полученных в результате обработки откликов системы, рассматривалась геометрия сечения упрочненной поверхности, средняя микротвердость и процентное содержание ферритной фазы. Было выявлено, что при снижении скорости сканирования и увеличении мощности лазера происходит увеличение геометрических размеров зоны упрочнения и ее твердости. При проведении оптимизации режимов лазерного упрочнения стали AISI 4130 установлено, что скорость сканирования V = 4,45 мм / с, мощность лазера P = 1 491 Вт, положение фокальной плоскости F = 62 мм, при этих параметрах плотность мощности составляет 84 Вт / мм2. При оптимальных режимах обработки твердость повышается до 798 HV и в 3 раза превышает твердость основного металла 265 HV при глубине 1,310 мм и ширине 9,883 мм упрочненной зоны. Установлено, что лазерная закалка с перекрытием дорожек 50% имеет более однородную твердость поверхности образца, чем при перекрытии дорожек 30%. Лазерное упрочнение поверхности углеродистой стали AISI 4130 приводит к изменению исходных фаз основного металла на мартенситную фазу. Выявлено, что меньшее процентное содержание феррита в фазах микроструктуры способствует повышению твердости. Изменение положения головки от фокальной плоскости в пределах 20 мм приводит к изменению средней микротвердости в пределах от 700 до 300 HV, что негативно скажется при обработке фасонных поверхностей, имеющих значительное отклонение от горизонтальной плоскости.
Лазерное упрочнение улучшенной стали AISI P20 с размерами образцов 100 × 150 × 15 мм проводили с использованием диодного лазера с максимальной мощностью 4 кВт лазерным пятном в фокальной плоскости 24 × 1 мм [2]. Скорость сканирования луча лазера составляла 5,0 мм / с, фокусное расстояние 310 мм, плотность лазерной энергии 220, 315 и 420 Дж / мм2 при температуре поверхности образца 1 000, 1 200 и 1 500 °C. Для испытаний на фреттинг-износ использовали машину возвратно-поступательного трения RFW160, контробразцом был шарик из Al2O3 диаметром 10 мм. Размер образцов составлял 40 × 40 × 10 мм. Испытания выполняли при нормальных нагрузках 10, 20 и 30 Н, количестве циклов 30 000, частоте микро перемещений 4 Гц, и амплитуде смещения 300 мкм. Испытание на износ без смазочного материала проводилось по схеме ролик–колодка на машине трения BRW‑150. Наружный диаметр ролика из стали S45C составлял 45 мм, тогда как размер колодки 16 × 5 × 10 мм. Скорость скольжения и расстояние составляло 0,236 м / с и 1 300 м соответственно, при нормальной нагрузке 170, 255 и 340 Н. При лазерной обработке с плотностью энергии 420 Дж / мм2 в среднем глубина зоны закалки составляла 754 ± 44 мкм, тогда как при 220 и 315 Дж / мм2 глубина зон составляла 490 ± 35 и 631 ± 25 мкм соответственно. Твердость упрочненных слоев составляла 545, 610 и 657 HV при 220, 420 и 315 Дж / мм2 соответственно, что значительно выше, чем твердость материала основы 307 HV. При испытании на фреттинг-износ меньшие значения коэффициента трения получены на образцах закаленных с плотностью энергии 315 и 420 Дж / мм2. Совокупная потеря массы составляет 3,76 ∙ 10–3 мм3 на 10 000 циклах и 7,71 ∙ 10–3 мм3 на 30 000 циклов. Износ при 30 000 циклов уменьшился на 44,6% по сравнению с материалом основы. Испытания на износ по схеме ролик–колодка показали, что износостойкость повышается при увеличении поверхностной твердости.
Валы диаметром 50 мм из стали 42CrMo4 (AISI 4140) были закалены с использованием гомогенизированного лазерного пятна с размером пятна 16 × 4 мм2 с оптимизированным распределением интенсивности излучения [3]. Обработка на скоростях 400 и 500 мм / мин позволила получить упрочненные слои толщиной 1 и 0,72 мм соответственно.
Образцы стали 40Х с размерами 10 × 10 × 30 мм упрочняли с помощью диодного лазера компании Laserline LDF 6000-100 [4]. Размер лазерного пятна на поверхности образца составлял 25 × 6 мм. Максимальная микротвердость упрочненного слоя составила 697 ± 11 HV0,5. Она получена при мощности излучения 1 150 Вт и скорости сканирования луча 8 мм / с, что в 3 раза выше твердости материала основы 230 ± 3 HV0,5. Глубина слоя составила 913,5–964,5 мкм. Для испытаний на ударно-абразивное изнашивание использовали машину трения MLD‑10. Энергия удара составляла около 2,5 Дж. В качестве контробразца использовали ролик из стали 40Х с наружным диаметром 59 мм с твердостью 57 HRC. Частота вращения ролика 200 мин–1. В зону трения подавался кварцевый песок с размером частиц 2 000–4 000 мкм с твердостью 800–1 200 HV. Его расход был 40 кг / ч. Продолжительность испытаний 20 мин. Испытания на ударно-абразивное изнашивание показали, что износостойкость закаленных лазером образцов в два раза выше материала основы.
Целями работы были задачи определения влияния дефокусировки прямоугольного луча волоконного лазера на глубину и ширину зон лазерного упрочнения, проведение полного факторного эксперимента на линейных участках и определение износостойкости колесной стали.
Методика проведения исследований
Лазерное упрочнение образцов колесной стали выполняли на фрагментах колеса толщиной 30 мм с помощью лазерного комплекса на основе волоконного лазера ЛС10, оснащенного оптическим формирователем, состыкованным с коллиматором IPG D50F120 и закрепленными на подвижном фланце руки робота KR120HA. Диаметр транспортного волокна 200 мкм. С помощью цилиндрической линзы и ортогонально ей расположенной призме Френеля получено лазерное пятно в фокальной плоскости 11 × 1 мм [5]. Обработку выполняли при мощности излучения лазера 5 000 и 8 600 Вт, скорости перемещения луча 20 и 30 мм / с, дефокусировке луча в пределах 100–190 мм. Металлографические исследования проводили с использованием микротвердомера ПМТ‑3 при нагрузке 0,98 Н, цифрового микроскопа АМ413МL, металлографического микроскопа Альтами МЕТ 1С.
Образцы для испытаний на износ с размерами 12 × 20 × 70 мм фрезеровали из фрагментов колесной стали. Испытания на износ проводили на машине трения МТУ‑01 по схеме плоскость (колесная сталь)–кольцо (рельсовая сталь). В качестве смазочного материала использовалась пластичная смазка «ПУМА». Удельное давление составляло 1 МПа, скорость скольжения 1,57 м / с.
С помощью метода полного факторного эксперимента (ПФЭ) определяли влияние режимов обработки на параметры упрочненных дорожек [6]. 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 в 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 250 Дж / мм на рис. 1 (а, б). Глубина и ширина зоны закалки изменяется линейно в интервале 100–160 мм и, поэтому этот участок можно описать уравнениями регрессии первого порядка [6].
Во второй серии экспериментов получены уравнения регрессии при дефокусировке луча 100–160 мм. Глубина зон упрочнения:
H = 0,976255 + 0,26125 x1 + 0,06375 x3 – 0,06875 x1 x2 –
– 0,07625 x1 x3 – 0,03125 x2 x3, (1)
где x1 – мощность излучения Р(Вт); x2 – скорость V (мм / с); x3 – расстояние до фокальной плоскости Z (мм).
Ширина зоны упрочнения:
B = 14,75 + 1,65 x1 – 1,075 x2 – 0,475 x3 – 0,525 x1 x3 –
– 0,35 x2 x3 – 0,65 x1 x2 x3. (2)
По уравнениям регрессии (1–2) 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 с их помощью построены сравнительные поверхности для визуализации этих функций (рис. 2).
Анализ результатов расчетов показал, что превалирующее влияние на геометрические параметры зон закалки имеет мощность излучения (рис. 2а, б). С увеличением мощности растут ширина и глубина зоны закалки. Экспериментальные результаты и теоретические расчеты подтвердили, что с ростом скорости перемещения глубина и ширина закаленных зон уменьшается, а с увеличением дефокусировки глубина и ширина зон закалки возрастает.
На рис. 3 представлены микрошлифы зон упрочнения колесной стали, полученные при разных технологических режимах: режим А (Р = 7,6 кВт, V = 20 мм / c, Z = 130 мм), режим Б (Р = 8,6 кВт, V = 20 мм / c, Z = 160 мм) и режим В (Р = 8,6 кВт, V = 20 мм / c, Z = 190 мм). Микротвердость зон лазерной закалки изменялась в пределах 7 500–8 500 МПа. Обработка при равной погонной энергии излучения 250 Дж / мм дает близкие по микротвердости и геометрическим параметрам зоны лазерной закалки.
По результатам испытаний на изнашивание установлено, что максимальная износостойкость, величина, обратная интенсивности изнашивания, получена при лазерной закалке по режиму А (рис. 4). Она превышает износостойкость материала основы образца в три раза. Следует отметить, что режимы Б и В также имеют достаточную износостойкость, и обеспечивают большую ширину 18 138–19 212 мкм и глубину закаленного слоя 1 646–1 650 мкм соответственно, и могут быть использованы для упрочения гребней колес как для пассажирского, так и для грузового подвижного состава. Меньшая интенсивность изнашивания рельсовой стали, полученная при испытании образцов упрочненных на трех режимах лазерной закалки, приведет к повышению ресурса работ в целом пары колесо–рельс.
Использование прямоугольного лазерного пятна повышает производительность процесса лазерной закалки в 2–3 раза по сравнению с обработкой круглым пятном.
Выводы
В рамках проекта была найдена зависимость влияния на геометрические параметры зон лазерного упрочнения (глубину и ширину) дефокусировки прямоугольного луча волоконного лазера. Проведенные исследования привели к следующим выводам:
Получены линейные уравнения регрессии при дефокусировке луча в диапазоне 100–160 мм, позволяющие рассчитать глубину и ширину зон закалки с погрешностью не более 5%.
Построены поверхности, визуализирующие закономерность изменения параметров закаленных зон от режимов обработки.
Обнаружено, что интенсивность изнашивания упрочненной лазерным лучом колесной стали в 2,14–3 раза ниже материала основы колеса в зависимости от режимов обработки.
Вклад членов авторского коллектива в работу
Идея проведения эксперимента, организация и руководство проектом: В. П. Бирюков и А. В. Богданов; дизайн эксперимента: В. П. Бирюков, М. В. Таксанц; проведение эксперимента: С. А. Шмелев, В. Г. Штамм и С. А. Успенский; обработка результатов: В. П. Бирюков и С. А. Шмелев. Все авторы внесли вклад в написание рукописи.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Moradi M., Karami Moghadam M. High power diode laser surface hardening of AISI 4130; statistical modelling and optimization. Optics and Laser Technology 111 (2019) 554–570
Park C., et al. Influence of laser surface engineering of AISI P20-improved mold steel on wear and corrosion behaviors.Surface and Coatings Technology. 2019;377:124852. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2019.08.006.
Klocke F., Schulz M. Gräfe S. Optimization of the Laser Hardening Process by Adapting the Intensity Distribution to Generate a Top-hat Temperature Distribution Using Freeform Optics. Coatings. 2017; 7(6): 77; doi:10.3390/coatings7060077.
Chen Z. et al. Behaviors of 40Cr steel treated by laser quenching on impact abrasive wear. Optics and Laser Technology. 2018; 103:118–125.
Богданов А.В., Соколов В. И., Шмелев С. А. Выбор оптимальных конфигураций оптических схем для задачи лазерной термообработки стальных изделий. Наукоемкие технологии в машиностроении. 2017; 10:32–37.
Bogdanov A. V., Sokolov V. I., SHmelev S. A. Vybor optimal'nyh konfiguracij opticheskih skhem dlya zadachi lazernoj termoobrabotki stal'nyh izdelij. Naukoemkie tekhnologii v mashinostroenii. 2017; 10:32–37.
Евдокимов Ю. А., Колесников В. И., Тетерин А. И. Планирование и анализ экспериментов при решении задач трения и износа. – М: Наука. 1980. Evdokimov YU.A., Kolesnikov V. I., Teterin A. I. Planirovanie i analiz eksperimentov pri reshenii zadach treniya i iznosa. – M: Nauka. 1980.
Отзывы читателей
