eng
Выпуск #2/2022
В. П. Бирюков
Определение параметров зон лазерного воздействия и триботехнических свойств поверхностей сталей
Определение параметров зон лазерного воздействия и триботехнических свойств поверхностей сталей
Просмотры: 1212
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2022.16.2.156.166
В работе представлены результаты металлографических и триботехнических исследований образцов стали 40Х с лазерной закалкой из жидкого и твердого состояния. На основании проведенного регрессионного анализа получены закономерности изменения глубины и ширины зон термического воздействия при изменяемых частотах поперечных колебаний луча, скорости обработки и его дефокусировке. Расширены возможности применения сканирующих устройств резонансного типа для лазерной термической обработки и легирования сталей. Анализ результатов триботехнических испытаний показал значительное уменьшение коэффициентов трения, повышение износостойкости и нагрузочной способности контакта по сравнению с исходной сталью.
В работе представлены результаты металлографических и триботехнических исследований образцов стали 40Х с лазерной закалкой из жидкого и твердого состояния. На основании проведенного регрессионного анализа получены закономерности изменения глубины и ширины зон термического воздействия при изменяемых частотах поперечных колебаний луча, скорости обработки и его дефокусировке. Расширены возможности применения сканирующих устройств резонансного типа для лазерной термической обработки и легирования сталей. Анализ результатов триботехнических испытаний показал значительное уменьшение коэффициентов трения, повышение износостойкости и нагрузочной способности контакта по сравнению с исходной сталью.
Теги: friction and wear tests interaction of laser radiation with matter laser hardening laser surface hardening tribological parameters взаимодействие лазерного излучения с веществом испытания на трение и износ лазерная поверхностная закалка лазерное упрочнение трибологические параметры
Определение параметров зон лазерного воздействия и триботехнических свойств поверхностей сталей
В. П. Бирюков
Институт машиноведения им. А. А. Благонравова РАН, Москва, Россия
В работе представлены результаты металлографических и триботехнических исследований образцов стали 40Х с лазерной закалкой из жидкого и твердого состояния. На основании проведенного регрессионного анализа получены закономерности изменения глубины и ширины зон термического воздействия при изменяемых частотах поперечных колебаний луча, скорости обработки и его дефокусировке. Расширены возможности применения сканирующих устройств резонансного типа для лазерной термической обработки и легирования сталей. Анализ результатов триботехнических испытаний показал значительное уменьшение коэффициентов трения, повышение износостойкости и нагрузочной способности контакта по сравнению с исходной сталью.
Ключевые слова: взаимодействие лазерного излучения с веществом, лазерная поверхностная закалка, лазерное упрочнение, испытания на трение и износ, трибологические параметры
Статья поступила: 22.02.2022
Статья принята: 10.03.2022
Введение
Лазерная поверхностная закалка сталей обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционной пламенной и индукционной поверхностной закалкой, включая отсутствие закалочной среды, и низкие остаточные деформации, высокую твердость, локальность обработки и экологическую чистоту процесса [1]. Нагрев тонкого поверхностного слоя происходит в течение малого времени лазерного воздействия на обрабатываемую деталь и быстрого охлаждения по механизму теплопроводности в глубь материала [2]. Толщина упрочненного слоя зависит от температуры поверхности и скорости лазерного сканирования [3, 4]. Основными препятствиями для широкого внедрения лазерной закалки, вместо устоявшихся технологий, являются зоны отпуска, возникающие при наложении лазерных дорожек, при обработке больших площадей. Сокращение количества зон отпуска возможно при лазерной закалке с помощью прямоугольного лазерного пятна, которое позволяет упрочнять за один проход зону в несколько раз шире, чем расфокусированное круглое лазерное пятно [5], или путем поперечных колебаний луча по ширине обрабатываемой зоны [6]. Напряженное состояние является результатом температурных градиентов и микроструктурных изменений во время нагрева и охлаждения [7], причем степень этих эффектов сильно зависит от геометрии обрабатываемой детали и положения обрабатываемой области. Для оценки температуры представлен ряд аналитических и численных моделей при лазерной термической обработке поверхности [8, 9]. В ряде работ предложены критерии оценки для прогнозирования фазовых переходов на основе расчета температурных полей [10, 11] и кинетических моделей изменения фазы [12–14].
Прогнозирование остаточных напряжений было выполнено для единичной лазерной дорожки [15–17]. Экспериментальная оценка также была проведена для конкретных случаев [18, 19], включая оценку механической и усталостной долговечности [20].
Несмотря на значительное количество работ, проведенных по исследованию влияния режимов на параметры упрочненных зон, до сих пор остаются нерешенными вопросы по оптимизации режимов лазерного термоупрочнения и легирования сталей.
Целями нашей работы было определение влияния частоты поперечных колебаний лазерного луча, положения фокальной плоскости и скорости обработки на параметры зон лазерного воздействия, включая режимы с оплавлением поверхности для возможного использования при лазерном термоупрочнении и легировании сталей и триботехнических свойств упрочненных образцов.
Оборудование
и методы исследований
Для лазерного термоупрочнения использовали образцы стали 40Х с размерами 12 × 20 × 70 мм. Эксперименты проводили на автоматизированном лазерном технологическом комплексе [21]. В качестве варьируемых параметров были выбраны частота поперечных колебаний лазерного луча, расфокусировка пучка, скорость обработки. Плотность подводимой энергии изменяли в пределах 39,2–84,9 Вт∙с / мм2. Первую партию образцов обрабатывали на трех резонансных частотах торсиона сканирующего устройства, обеспечивающего поперечные колебания луча 78, 116 и 230 Гц. Вторую партию – на оптимизированных режимах. Мощность излучения во всех экспериментах оставалась постоянной 1 кВт. Металлографические исследования были выполнены с использованием цифровых микроскопов, инвертированного металлографического микроскопа, микротвердомера ПМТ‑3.
Испытания на трение и износ проводили по схеме: «плоский образец (сталь 40Х обработанный лазерным лучом) – торец вращающейся втулки (контробразец сталь 40Х, 49–53 HRC)». Скорость скольжения и давление на образец изменяли ступенчато в пределах 0,15–4,0 м / с и 1–6 МПа соответственно. В зону трения подавали масло турбинное ТП22С по 1 капле в секунду.
Математическую обработку полученных результатов по глубине закаленного из жидкого, твердого состояния (Н) и ширине зоны лазерного воздействия (В) проводили с помощью полного факторного эксперимента (ПФЭ) с использованием линейного уравнения регрессии (1):
y = b0 + b1x1 + b2x2 + b3x3 + b12x1x2 + b13x1x3 + b23x2x3 + b123x1x2x3, (1)
где: y – отклик системы;
xi – уровни факторов;
b – коэффициенты уравнения регрессии.
Результаты экспериментальных исследований
По полученным данным металлографии первой партии образцов было установлено, что глубина и ширина на частотах сканирования 78 и 230 при дефокусировке 40 мм и скорости перемещения 5 мм / с существенно различались. Закаленные дорожки на частотах 78 Гц имели форму лунки. При частоте сканирования 230 Гц в центре дорожки глубина зоны составляла 0,22–0,25мм, а по краям, в зонах остановки луча, увеличивалась до 0,5–0,6 мм при ширине зоны 10,457 мм. На рис. 1 представлены микрошлифы зон лазерного упрочнения расфокусированным (а) и колеблющимся лучом с частотой 230 Гц (b) при скорости 3 мм / с и дефокусировке 40 мм. При лазерной закалке с колебаниями луча частотой 116 Гц на всех режимах получены удовлетворительные результаты, и они выше по ширине, чем зоны, полученные при обработке на частоте 78 Гц. Вторую партию образцов обрабатывали при частоте колебаний луча 214 Гц, что привело к образованию закаленного слоя с максимальной глубиной в центре упрочненной зоны, и созданию зоны оплавления в центре закаленной дорожки (рис. 1, с). Полученные режимы с оплавлением поверхности будут использованы, как для закалки, так и для легирования сталей с применением поперечных колебаний луча. Для определения влияния режимов обработки на глубину и ширину зон лазерного воздействия по уравнениям регрессии построены поверхности (рис. 2).
Глубина зоны закалки при диаметрах лазерного пятна 5 и 6,5 мм возрастает с увеличением частоты колебаний луча. Ширина зон закалки с увеличением частоты колебаний луча заметно снижается при диаметре луча 5 мм, а при диаметре 6,5 мм менее значительно. Для оценки влияния частоты сканирования на параметры зон оплавления по результатам расчетов уравнений регрессии построены поверхности (рис. 3)
Глубина зон оплавления составляла 0,4–0,6 мм при их ширине 3,6–4,7 мм при обработке лазерным пятном 5 мм, значительно превосходили параметры зон оплавления расфокусированным лучом. Нагрев лучом диаметром 6,5 мм при малых скоростях обеспечивал глубину проплавления 0,55–0,62 мм, однако на больших скоростях и частоте колебаний 116 Гц она не превышала 0,3 мм, а ширина зоны оплавления была более стабильна и составляла 4,2–4,8 мм. С ростом частоты сканирования луча глубина зон оплавления увеличивалась.
Микротвердость упрочненных зон изменялась в широких пределах 6 230–8 620 МПа. На рис. 4 представлены закономерности изменения микротвердости от глубины слоя при частоте сканирования 116 (а) и 230 Гц (b), скорости перемещения 3 и 5 мм / с и дефокусировке луча 60 мм.
Наиболее подходящие режимы для лазерного упрочнения поверхностей деталей машин получены при скорости обработки 5 и 3 мм / с, частотой поперечных колебаний луча 116 Гц и мощностью излучения 1 кВт с шириной зон термического воздействия 8,9–9,9 мм и глубиной 0,77–1,2 мм соответственно. При этом глубина зон закалки оставалась практически постоянной по ширине лазерной дорожки. Значения микротвердости, 6 570–8 200 МПа, свидетельствуют о возможности применения технологии как для легко нагруженных, при глубине слоя менее 1 мм, так и высоко нагруженных зубчатых передач, с глубиной закаленного слоя более 1 мм. Однако нужно учитывать, что обработка зуба должна выполняться за один проход без наложения дорожек закалки.
Испытания на трение и износ проводили на образцах, упрочненных при частоте колебаний луча 214 Гц, с перекрытием лазерных дорожек 10%. На рис. 5. представлены зависимости изменения коэффициентов трения от скорости скольжения.
При увеличении скорости скольжения до 1 м / с, коэффициенты трения снижаются. Дальнейшее повышение скорости скольжения до 3 м / с приводило к незначительному их повышению, а затем – к резкому росту. Коэффициенты трения 0,065–0,08, получены на образцах, обработанных лазерным лучом, при частоте поперечных колебаний луча 214 Гц и скорости его перемещения 5 мм / с при скорости скольжения контробразца 0,5–2 м / с значительно ниже, чем образцов стали 40Х. Важнейшей характеристикой сопряженных деталей машин является предельно допустимая нагрузка, при которой наступает резкое повышение коэффициента трения и, как следствие, заедание или заклинивание механизма в целом. На рис. 6. представлены кривые изменения давления заедания от скорости скольжения контробразца. Все значения давлений и скоростей скольжения, находящиеся выше этих кривых, являются недопустимыми для исследуемых образцов.
Из представленных графиков следует, что скорость скольжения до наступления заедания образцов, обработанных при частоте колебаний луча 214 Гц и скорости его перемещения 5 мм / с, практически в два раза выше во всем исследованном диапазоне.
Интенсивность изнашивания образцов упрочненных лазерным лучом при частоте поперечных колебаний 214 Гц в сравнении со сталью 40Х представлена в таблице. Из приведенных данных следует, что интенсивность изнашивания образцов, обработанных на оптимальных режимах, более чем в 4 раза ниже, чем исходной стали 40Х.
Обсуждение результатов
Основное внимание в работе уделено влиянию частоты поперечных колебаний луча на ширину и глубину зон упрочнения в зависимости от скорости перемещения луча и его дефокусировки. С повышением резонансной частоты торсиона, на котором крепится отражающее фокусирующее зеркало, растет амплитуда колебаний луча, а вместе с ней и ширина зоны упрочнения. Резонансную частоту 230 Гц можно считать критической, поскольку зона закалки в центре дорожки становится меньше, чем по ее краям. Выход в частоту колебаний 214 Гц позволил получить зоны термического воздействия по ширине несколько меньшие, чем при частоте 116 Гц. Однако полученные результаты обработки на этой частоте позволяют использовать их как при лазерной закалке, так и при легировании поверхностей с большей глубиной. На всех исследованных режимах получены достаточно высокие значения микротвердости. Результаты работы показывают возможности расширения режимов лазерной обработки на различных резонансных частотах торсиона, что не было описано ранее для сканирующих устройств данного типа.
Заключение
Разработаны режимы обработки поверхности образцов стали 40Х с изменяемой частотой поперечных колебаний луча, скоростью обработки и его дефокусировки, позволяющие снизить количество зон отпуска при обработке больших площадей с наложением дорожек.
Коэффициенты трения закаленных лазером образцов значительно ниже исходной стали, а износосостойкость выше материала основы более, чем в 4 раза. Лазерное упрочнение позволяет повысить предельные скорости скольжения до наступления заедания в 2 раза.
REFERENCES
Skvarenina S., Shin Y. Predictive modeling and experimental results for laser hardening of AISI 1536 steel with complex geometric features by a high power diode laser. Surf. Coat. Technol. 2006; 201 (6); 2256–2269. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2006.03.039.
Yánez A., Álvarez J., López A., Nicolás G., Pérez J., Ramil A. et al. Modelling of temperature evolution onmetals during laser hardening process. Appl. Surf. Sci. 2002; 186(1–4); 611–616. DOI: 10.1016/S0169-4332(01)00696-1.
Inoue K., Ohmura E., Haruta K. Computer simulation on structural changes of hypoeutectoid steel in laser transformation hardening process. JSME Int. J. Ser. 1989;132 (1);45–53. DOI: 10.1299/jsmea1988.32.1_45.
Grum J., Šturm R. Laser surfacemelt-hardening of gray and nodular irons. Appl. Surf. Sci. 1997; 109–110; 128–132. DOI: 10.1016/S0169-4332(96)00648-4.
Komanduri R., Hou Z. Thermal analysis of laser surface transformation hardeningoptimization of process parameters. Int. J. Mach. Tools Manuf. 2004; 44(9); 991–1008. DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2004.01.011.
Martínez S., Lamikiz A., Tabernero I., Ukar E. Laser hardening process with 2D scanning optics. Phys. Procedia. 2012; 39; 309–317. DOI: 10.1016/j.phpro.2012.10.043.
Denis S., Archambault P., Aubry C., Mey A., Louin J., Simon A. Modelling of phase transformation kinetics in steels and coupling with heat treatment residual stress predictions. J. Phys. 1999; IV 9; 323–332. DOI: 10.1051/jp4:1999933
Lakhkar R., Shin Y., Krane M. Predictive modeling of multi-track laser hardening of AISI 4140 steel. Mater. Sci. Eng. 2008; 480 (1–2); 209–217. DOI: 10.1016/j.msea.2007.07.054
Miokovic’ T., Schulze V., Vöhringer O., Löhe D. Prediction of phase transformations during laser surface hardening of AISI 4140 including the effects of inhomogeneous austenite formation. Mater. Sci. Eng. 2006; 435–436; 547–555. DOI: 10.1016/j.msea.2006.07.037.
Ashby M., Easterling K. The transformation hardening of steel surfaces by laser beams – I. hypo-eutectoid steels. Acta Metall. 1984; 32 (11); 1935–1937; 1939–1948. DOI: 10.1016/0001-6160(84)90175-5.
Yaakoubi M., Kchaou M., Dammak F. Simulation of the thermomechanical and metallurgical behavior of steels by using ABAQUS software. Comput. Mater. Sci. 2013; 68;297–306. DOI: 10.1016/j.commatsci.2012.10.001.
Denis S., Farias D., Simon A. Mathematical model coupling phase transformations and temperature evolutions in steels. ISIJ Int. 1992; 32 (3); 316–325. DOI: 10.2355/isijinternational.32.316.
Jacot A., Rappaz M. A combined model for the description of austenitization, homogenization and grain growth in hypoeutectoid Fe–C steels during heating, Acta Mater. 1999; 47 (5); 1645–1651. DOI: 10.1016/S1359-6454(99)00005-1.
Reti T., Fried Z., Felde I. Computer simulation of steel quenching process using a multi-phase transformation model. Comput. Mater. Sci. 2001; 22 (3–4); 261–278. DOI: 10.1016/S0927-0256(01)00240-3.
Yang Y. S., Na S. J. A study on residual stresses in laser surface hardening of a medium carbon steel, Surf. Coat. Technol. 1989; 38 (3); 311–324. DOI: 10.1016/0257-8972(89)90093-5.
Bailey N., Tan W., Shin Y. Predictive modeling and experimental results for residual stresses in laser hardening of AISI 4140 steel by a high power diode laser. Surf. Coat.Technol. 2009; 203 (14); 2003–2012. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2009.01.039.
Zhan H. X., Wang Y., Li C. W., Han T., Han B., Zhao W. M. Computational and experimental study of a melt-hardened zone on a roller modified by wide-band laser Treatment. Opt. Laser Technol. 2009; 41 (3); 251–257. DOI: 10.1016/j.optlastec.2008.06.011.
Roy A., Manna I. Laser surface engineering to improve wear resistance of austempered ductile iron. Mater. Sci. Eng. A. 2001; 297 (1–2); 85–93. DOI: 10.1016/S0921-5093(00)01253-3.
Soriano C., Leunda J., Lambarri J., Navas V., Sanz C. Effect of laser surface hardening on the microstructure, hardness and residual stresses of austempered ductile iron grades. Appl. Surf. Sci. 2011; 257 (16); 7101–7106. DOI: 10.1016/j.apsusc.2011.03.059.
Cerny I., Fürbacher I., Linhart V. Influence of laser hardening and resulting microstructure on fatigue properties of carbon steels. J. Mater. Eng. Perform. 1998; 7 (3); 361–366. DOI: 10.1361 / 105994998770347800.
Biryukov V. P., Dozorov A. V. Laser systems for hardening and surfacing of parts and for precise sheet layout. Journal of Machinery Manufacture and Reliability. 2006; 35 (1); 46–52.
АВТОР
Бирюков Владимир Павлович, к. т. н., в. н. с., Институт машиноведения им. А. А. Благонравова РАН, laser‑52@yandex.ru, Москва, Россия
ORCID: 0000–0001–9278–6925
В. П. Бирюков
Институт машиноведения им. А. А. Благонравова РАН, Москва, Россия
В работе представлены результаты металлографических и триботехнических исследований образцов стали 40Х с лазерной закалкой из жидкого и твердого состояния. На основании проведенного регрессионного анализа получены закономерности изменения глубины и ширины зон термического воздействия при изменяемых частотах поперечных колебаний луча, скорости обработки и его дефокусировке. Расширены возможности применения сканирующих устройств резонансного типа для лазерной термической обработки и легирования сталей. Анализ результатов триботехнических испытаний показал значительное уменьшение коэффициентов трения, повышение износостойкости и нагрузочной способности контакта по сравнению с исходной сталью.
Ключевые слова: взаимодействие лазерного излучения с веществом, лазерная поверхностная закалка, лазерное упрочнение, испытания на трение и износ, трибологические параметры
Статья поступила: 22.02.2022
Статья принята: 10.03.2022
Введение
Лазерная поверхностная закалка сталей обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционной пламенной и индукционной поверхностной закалкой, включая отсутствие закалочной среды, и низкие остаточные деформации, высокую твердость, локальность обработки и экологическую чистоту процесса [1]. Нагрев тонкого поверхностного слоя происходит в течение малого времени лазерного воздействия на обрабатываемую деталь и быстрого охлаждения по механизму теплопроводности в глубь материала [2]. Толщина упрочненного слоя зависит от температуры поверхности и скорости лазерного сканирования [3, 4]. Основными препятствиями для широкого внедрения лазерной закалки, вместо устоявшихся технологий, являются зоны отпуска, возникающие при наложении лазерных дорожек, при обработке больших площадей. Сокращение количества зон отпуска возможно при лазерной закалке с помощью прямоугольного лазерного пятна, которое позволяет упрочнять за один проход зону в несколько раз шире, чем расфокусированное круглое лазерное пятно [5], или путем поперечных колебаний луча по ширине обрабатываемой зоны [6]. Напряженное состояние является результатом температурных градиентов и микроструктурных изменений во время нагрева и охлаждения [7], причем степень этих эффектов сильно зависит от геометрии обрабатываемой детали и положения обрабатываемой области. Для оценки температуры представлен ряд аналитических и численных моделей при лазерной термической обработке поверхности [8, 9]. В ряде работ предложены критерии оценки для прогнозирования фазовых переходов на основе расчета температурных полей [10, 11] и кинетических моделей изменения фазы [12–14].
Прогнозирование остаточных напряжений было выполнено для единичной лазерной дорожки [15–17]. Экспериментальная оценка также была проведена для конкретных случаев [18, 19], включая оценку механической и усталостной долговечности [20].
Несмотря на значительное количество работ, проведенных по исследованию влияния режимов на параметры упрочненных зон, до сих пор остаются нерешенными вопросы по оптимизации режимов лазерного термоупрочнения и легирования сталей.
Целями нашей работы было определение влияния частоты поперечных колебаний лазерного луча, положения фокальной плоскости и скорости обработки на параметры зон лазерного воздействия, включая режимы с оплавлением поверхности для возможного использования при лазерном термоупрочнении и легировании сталей и триботехнических свойств упрочненных образцов.
Оборудование
и методы исследований
Для лазерного термоупрочнения использовали образцы стали 40Х с размерами 12 × 20 × 70 мм. Эксперименты проводили на автоматизированном лазерном технологическом комплексе [21]. В качестве варьируемых параметров были выбраны частота поперечных колебаний лазерного луча, расфокусировка пучка, скорость обработки. Плотность подводимой энергии изменяли в пределах 39,2–84,9 Вт∙с / мм2. Первую партию образцов обрабатывали на трех резонансных частотах торсиона сканирующего устройства, обеспечивающего поперечные колебания луча 78, 116 и 230 Гц. Вторую партию – на оптимизированных режимах. Мощность излучения во всех экспериментах оставалась постоянной 1 кВт. Металлографические исследования были выполнены с использованием цифровых микроскопов, инвертированного металлографического микроскопа, микротвердомера ПМТ‑3.
Испытания на трение и износ проводили по схеме: «плоский образец (сталь 40Х обработанный лазерным лучом) – торец вращающейся втулки (контробразец сталь 40Х, 49–53 HRC)». Скорость скольжения и давление на образец изменяли ступенчато в пределах 0,15–4,0 м / с и 1–6 МПа соответственно. В зону трения подавали масло турбинное ТП22С по 1 капле в секунду.
Математическую обработку полученных результатов по глубине закаленного из жидкого, твердого состояния (Н) и ширине зоны лазерного воздействия (В) проводили с помощью полного факторного эксперимента (ПФЭ) с использованием линейного уравнения регрессии (1):
y = b0 + b1x1 + b2x2 + b3x3 + b12x1x2 + b13x1x3 + b23x2x3 + b123x1x2x3, (1)
где: y – отклик системы;
xi – уровни факторов;
b – коэффициенты уравнения регрессии.
Результаты экспериментальных исследований
По полученным данным металлографии первой партии образцов было установлено, что глубина и ширина на частотах сканирования 78 и 230 при дефокусировке 40 мм и скорости перемещения 5 мм / с существенно различались. Закаленные дорожки на частотах 78 Гц имели форму лунки. При частоте сканирования 230 Гц в центре дорожки глубина зоны составляла 0,22–0,25мм, а по краям, в зонах остановки луча, увеличивалась до 0,5–0,6 мм при ширине зоны 10,457 мм. На рис. 1 представлены микрошлифы зон лазерного упрочнения расфокусированным (а) и колеблющимся лучом с частотой 230 Гц (b) при скорости 3 мм / с и дефокусировке 40 мм. При лазерной закалке с колебаниями луча частотой 116 Гц на всех режимах получены удовлетворительные результаты, и они выше по ширине, чем зоны, полученные при обработке на частоте 78 Гц. Вторую партию образцов обрабатывали при частоте колебаний луча 214 Гц, что привело к образованию закаленного слоя с максимальной глубиной в центре упрочненной зоны, и созданию зоны оплавления в центре закаленной дорожки (рис. 1, с). Полученные режимы с оплавлением поверхности будут использованы, как для закалки, так и для легирования сталей с применением поперечных колебаний луча. Для определения влияния режимов обработки на глубину и ширину зон лазерного воздействия по уравнениям регрессии построены поверхности (рис. 2).
Глубина зоны закалки при диаметрах лазерного пятна 5 и 6,5 мм возрастает с увеличением частоты колебаний луча. Ширина зон закалки с увеличением частоты колебаний луча заметно снижается при диаметре луча 5 мм, а при диаметре 6,5 мм менее значительно. Для оценки влияния частоты сканирования на параметры зон оплавления по результатам расчетов уравнений регрессии построены поверхности (рис. 3)
Глубина зон оплавления составляла 0,4–0,6 мм при их ширине 3,6–4,7 мм при обработке лазерным пятном 5 мм, значительно превосходили параметры зон оплавления расфокусированным лучом. Нагрев лучом диаметром 6,5 мм при малых скоростях обеспечивал глубину проплавления 0,55–0,62 мм, однако на больших скоростях и частоте колебаний 116 Гц она не превышала 0,3 мм, а ширина зоны оплавления была более стабильна и составляла 4,2–4,8 мм. С ростом частоты сканирования луча глубина зон оплавления увеличивалась.
Микротвердость упрочненных зон изменялась в широких пределах 6 230–8 620 МПа. На рис. 4 представлены закономерности изменения микротвердости от глубины слоя при частоте сканирования 116 (а) и 230 Гц (b), скорости перемещения 3 и 5 мм / с и дефокусировке луча 60 мм.
Наиболее подходящие режимы для лазерного упрочнения поверхностей деталей машин получены при скорости обработки 5 и 3 мм / с, частотой поперечных колебаний луча 116 Гц и мощностью излучения 1 кВт с шириной зон термического воздействия 8,9–9,9 мм и глубиной 0,77–1,2 мм соответственно. При этом глубина зон закалки оставалась практически постоянной по ширине лазерной дорожки. Значения микротвердости, 6 570–8 200 МПа, свидетельствуют о возможности применения технологии как для легко нагруженных, при глубине слоя менее 1 мм, так и высоко нагруженных зубчатых передач, с глубиной закаленного слоя более 1 мм. Однако нужно учитывать, что обработка зуба должна выполняться за один проход без наложения дорожек закалки.
Испытания на трение и износ проводили на образцах, упрочненных при частоте колебаний луча 214 Гц, с перекрытием лазерных дорожек 10%. На рис. 5. представлены зависимости изменения коэффициентов трения от скорости скольжения.
При увеличении скорости скольжения до 1 м / с, коэффициенты трения снижаются. Дальнейшее повышение скорости скольжения до 3 м / с приводило к незначительному их повышению, а затем – к резкому росту. Коэффициенты трения 0,065–0,08, получены на образцах, обработанных лазерным лучом, при частоте поперечных колебаний луча 214 Гц и скорости его перемещения 5 мм / с при скорости скольжения контробразца 0,5–2 м / с значительно ниже, чем образцов стали 40Х. Важнейшей характеристикой сопряженных деталей машин является предельно допустимая нагрузка, при которой наступает резкое повышение коэффициента трения и, как следствие, заедание или заклинивание механизма в целом. На рис. 6. представлены кривые изменения давления заедания от скорости скольжения контробразца. Все значения давлений и скоростей скольжения, находящиеся выше этих кривых, являются недопустимыми для исследуемых образцов.
Из представленных графиков следует, что скорость скольжения до наступления заедания образцов, обработанных при частоте колебаний луча 214 Гц и скорости его перемещения 5 мм / с, практически в два раза выше во всем исследованном диапазоне.
Интенсивность изнашивания образцов упрочненных лазерным лучом при частоте поперечных колебаний 214 Гц в сравнении со сталью 40Х представлена в таблице. Из приведенных данных следует, что интенсивность изнашивания образцов, обработанных на оптимальных режимах, более чем в 4 раза ниже, чем исходной стали 40Х.
Обсуждение результатов
Основное внимание в работе уделено влиянию частоты поперечных колебаний луча на ширину и глубину зон упрочнения в зависимости от скорости перемещения луча и его дефокусировки. С повышением резонансной частоты торсиона, на котором крепится отражающее фокусирующее зеркало, растет амплитуда колебаний луча, а вместе с ней и ширина зоны упрочнения. Резонансную частоту 230 Гц можно считать критической, поскольку зона закалки в центре дорожки становится меньше, чем по ее краям. Выход в частоту колебаний 214 Гц позволил получить зоны термического воздействия по ширине несколько меньшие, чем при частоте 116 Гц. Однако полученные результаты обработки на этой частоте позволяют использовать их как при лазерной закалке, так и при легировании поверхностей с большей глубиной. На всех исследованных режимах получены достаточно высокие значения микротвердости. Результаты работы показывают возможности расширения режимов лазерной обработки на различных резонансных частотах торсиона, что не было описано ранее для сканирующих устройств данного типа.
Заключение
Разработаны режимы обработки поверхности образцов стали 40Х с изменяемой частотой поперечных колебаний луча, скоростью обработки и его дефокусировки, позволяющие снизить количество зон отпуска при обработке больших площадей с наложением дорожек.
Коэффициенты трения закаленных лазером образцов значительно ниже исходной стали, а износосостойкость выше материала основы более, чем в 4 раза. Лазерное упрочнение позволяет повысить предельные скорости скольжения до наступления заедания в 2 раза.
REFERENCES
Skvarenina S., Shin Y. Predictive modeling and experimental results for laser hardening of AISI 1536 steel with complex geometric features by a high power diode laser. Surf. Coat. Technol. 2006; 201 (6); 2256–2269. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2006.03.039.
Yánez A., Álvarez J., López A., Nicolás G., Pérez J., Ramil A. et al. Modelling of temperature evolution onmetals during laser hardening process. Appl. Surf. Sci. 2002; 186(1–4); 611–616. DOI: 10.1016/S0169-4332(01)00696-1.
Inoue K., Ohmura E., Haruta K. Computer simulation on structural changes of hypoeutectoid steel in laser transformation hardening process. JSME Int. J. Ser. 1989;132 (1);45–53. DOI: 10.1299/jsmea1988.32.1_45.
Grum J., Šturm R. Laser surfacemelt-hardening of gray and nodular irons. Appl. Surf. Sci. 1997; 109–110; 128–132. DOI: 10.1016/S0169-4332(96)00648-4.
Komanduri R., Hou Z. Thermal analysis of laser surface transformation hardeningoptimization of process parameters. Int. J. Mach. Tools Manuf. 2004; 44(9); 991–1008. DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2004.01.011.
Martínez S., Lamikiz A., Tabernero I., Ukar E. Laser hardening process with 2D scanning optics. Phys. Procedia. 2012; 39; 309–317. DOI: 10.1016/j.phpro.2012.10.043.
Denis S., Archambault P., Aubry C., Mey A., Louin J., Simon A. Modelling of phase transformation kinetics in steels and coupling with heat treatment residual stress predictions. J. Phys. 1999; IV 9; 323–332. DOI: 10.1051/jp4:1999933
Lakhkar R., Shin Y., Krane M. Predictive modeling of multi-track laser hardening of AISI 4140 steel. Mater. Sci. Eng. 2008; 480 (1–2); 209–217. DOI: 10.1016/j.msea.2007.07.054
Miokovic’ T., Schulze V., Vöhringer O., Löhe D. Prediction of phase transformations during laser surface hardening of AISI 4140 including the effects of inhomogeneous austenite formation. Mater. Sci. Eng. 2006; 435–436; 547–555. DOI: 10.1016/j.msea.2006.07.037.
Ashby M., Easterling K. The transformation hardening of steel surfaces by laser beams – I. hypo-eutectoid steels. Acta Metall. 1984; 32 (11); 1935–1937; 1939–1948. DOI: 10.1016/0001-6160(84)90175-5.
Yaakoubi M., Kchaou M., Dammak F. Simulation of the thermomechanical and metallurgical behavior of steels by using ABAQUS software. Comput. Mater. Sci. 2013; 68;297–306. DOI: 10.1016/j.commatsci.2012.10.001.
Denis S., Farias D., Simon A. Mathematical model coupling phase transformations and temperature evolutions in steels. ISIJ Int. 1992; 32 (3); 316–325. DOI: 10.2355/isijinternational.32.316.
Jacot A., Rappaz M. A combined model for the description of austenitization, homogenization and grain growth in hypoeutectoid Fe–C steels during heating, Acta Mater. 1999; 47 (5); 1645–1651. DOI: 10.1016/S1359-6454(99)00005-1.
Reti T., Fried Z., Felde I. Computer simulation of steel quenching process using a multi-phase transformation model. Comput. Mater. Sci. 2001; 22 (3–4); 261–278. DOI: 10.1016/S0927-0256(01)00240-3.
Yang Y. S., Na S. J. A study on residual stresses in laser surface hardening of a medium carbon steel, Surf. Coat. Technol. 1989; 38 (3); 311–324. DOI: 10.1016/0257-8972(89)90093-5.
Bailey N., Tan W., Shin Y. Predictive modeling and experimental results for residual stresses in laser hardening of AISI 4140 steel by a high power diode laser. Surf. Coat.Technol. 2009; 203 (14); 2003–2012. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2009.01.039.
Zhan H. X., Wang Y., Li C. W., Han T., Han B., Zhao W. M. Computational and experimental study of a melt-hardened zone on a roller modified by wide-band laser Treatment. Opt. Laser Technol. 2009; 41 (3); 251–257. DOI: 10.1016/j.optlastec.2008.06.011.
Roy A., Manna I. Laser surface engineering to improve wear resistance of austempered ductile iron. Mater. Sci. Eng. A. 2001; 297 (1–2); 85–93. DOI: 10.1016/S0921-5093(00)01253-3.
Soriano C., Leunda J., Lambarri J., Navas V., Sanz C. Effect of laser surface hardening on the microstructure, hardness and residual stresses of austempered ductile iron grades. Appl. Surf. Sci. 2011; 257 (16); 7101–7106. DOI: 10.1016/j.apsusc.2011.03.059.
Cerny I., Fürbacher I., Linhart V. Influence of laser hardening and resulting microstructure on fatigue properties of carbon steels. J. Mater. Eng. Perform. 1998; 7 (3); 361–366. DOI: 10.1361 / 105994998770347800.
Biryukov V. P., Dozorov A. V. Laser systems for hardening and surfacing of parts and for precise sheet layout. Journal of Machinery Manufacture and Reliability. 2006; 35 (1); 46–52.
АВТОР
Бирюков Владимир Павлович, к. т. н., в. н. с., Институт машиноведения им. А. А. Благонравова РАН, laser‑52@yandex.ru, Москва, Россия
ORCID: 0000–0001–9278–6925
Отзывы читателей
