Белова С. А. Калашникова М. С., Ордина м. А.,
Постников В. С.,  Игнатов М.Н, г. Пермь

УПРОЧНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ИНСТРУМЕНТА МЕТОДОМ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ

Лазерное легирование инструментальных сталей позволяет значительно повысить их износостойкость не только за счет структурных и фазовых превращений в зоне лазерного воздействия, но и путем создания нового сплава с отличным от материала основы химическим составом с высоким уровнем свойств.

Актуальной проблемой всех отраслей промышленности является повышение надежности и долговечности деталей и инструмента. Технологические процессы, в основу которых положен локальный нагрев обрабатываемого материала лазерным излучением, являются одними из наиболее перспективных способов обработки, что подтверждается многочисленными исследованиями в указанной области. Особенно перспективно направление, связанное с модифицированием поверхности – лазерное легирование.

Лазерному легированию можно подвергать как режущие кромки режущего и штамповочного инструмента, так и рабочие поверхности, работающие в условиях износа и испытывающие нагрев при эксплуатации.

Цель работы – исследование структуры и свойств поверхностных слоев инструментальных сталей после лазерного легирования для разработки рекомендаций по замене дорогостоящих сталей на более дешевые с использованием лазерных технологий упрочнения.

Исследовались как углеродистые, так и легированные стали, которые подвергались лазерному легированию композициями различного состава. Наиболее значительные результаты по повышению одной из основных характеристик инструмента – износостойкости показала композиция, содержащая хром и карбид бора. В работе показано, что при правильном выборе параметров лазерной обработки можно получить слои не только с минимальным количеством пор и трещин, но и с таким макростроением, которое позволяет сдерживать рост возникших при лазерном сканировании трещин. Таким барьером может служить зона несмешивания, которую можно получить при оптимизации энергетических параметров обработки. Определено, что основным структурным компонентом легированных слоев является эвтектика, которая в сочетании с твердыми растворами и выделениями первичных карбидов хрома образует все многообразие структурных составляющих, причем объемное соотношение их определяет среднюю микротвердость полученных слоев. Для всех исследуемых сталей (У10, ХВГ, Х12М, 5ХНМ) характерно следующее:

–    высокая микротвердость поверхности – не менее 10–12 ГПа;

–    наличие упрочняющих частиц различного морфологического типа (линейчатые, звездчатые, глобулярные);

–    упрочняющие частицы любой морфологии состоят из глобулярных выделений, что не должно служить причиной появления трещин при эксплуатации;

–    при длительной выдержке («вылеживании» в течение 1 года) при комнатной температуре происходит снижение микротвердости в легированных слоях, что связано с протеканием процессов, аналогичных процессам старения;

–    нагрев непосредственно после лазерного легирования приводит к стабилизации структурного состояния, и с течением времени разупрочнения рабочих поверхностей не происходит;

–    зафиксирована высокая теплостойкость легированных слоев – при нагреве вплоть до 700 °С твердость легированных слоев почти не изменяется (в то время как в стандартных сталях уже при нагреве выше 600 °С происходит полное разупрочнение закаленной структуры). При нагреве на 900 °С хотя твердость легированного слоя и снижается, но остается выше, чем у материала подложки в закаленном состоянии (выше 7–8 ГПа).

Испытания на длительную износостойкость показали, что интенсивность износа легированного слоя значительно ниже, чем интенсивность износа стали после стандартной для инструмента термообработки.

В процессе испытаний в режиме поперечного резания резец из быстрорежущей стали Р6М5 имел четкую площадку износа, в то время как на резце из стали Х12М с легированным слоем наблюдалось только небольшое закругление режущего угла. При этом рельеф обрабатываемой поверхности после обработки резцом из стали Х12М с легированным слоем был более ровным.

Таким образом, лазерное легирование создает предпосылки для получения высококачественных изделий, работающих в тяжелых условиях; для интенсификации режимов их эксплуатации; ужесточения скоростей и нагрузок. Экономический эффект от применения лазерного легирования состоит в значительном снижении расхода дорогостоящих и дефицитных материалов, повышении долговечности различных деталей конструкций, оборудования и инструмента.

Литература

1.    Коваленко В.С., Верхотуров Д.А., Головко Л.Ф. Лазерное и электроэрозионное упрочнение материалов. – М.: Наука, 1986. – 22 с.

2.    Лазерная технология и ее применение в металлообработке: Метод. рекомендации / Ленингр. Дом науч.-техн. пропаганды.- Л., 1990. – 64 с.

3.    Процессы лазерной сварки и термообработки / В.М. Андрияхин. – М.: Наука, 1988. – 176 с.

4.    Быковский Ю.Л., Неволин В.Н., Фоминский В.Ю. Ионная и лазерная имплантация металлических материалов. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 240 с.

5.    Лахтин Ю.М., Коган Я.Д. Поверхностное легирование металлов и сплавов при лазерном нагреве: Учеб. пособие для слушателей заоч. курсов повышения квалификации ИТР по покрытиям и поверхностному упрочнению деталей в машиностроении] / Центр. правл. Всесоюз. НТО машиностроителей, Ин-т техн. прогресса в машиностроении. - М.: Машиностроение, 1990 – 53 с.

6.    Григорьянц А.Г., Сафонов А.Н. Лазерная техника и технология. В 7 кн. Методы поверхностной лазерной обработки. Кн. 3. / Под ред. А.Г. Григорьянца. –  М. Высшая школа, 1987. –191 с.

7.    Бровер Г.И., Федосиенко С.С., Варавка В.Н. Повышение  износостойкости инструментальных сталей путём лазерного легирования // Чёрная металлургия. –1987. – № 15. – С. 46–47.