techusguИзвестия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологииProceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technology2223-1528Юго-Западный государственный университет10.21869/2223-1528-2024-14-4-18-33techusgu-281Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMETALLURGY AND MATERIALS SCIENCEОбеспечение качественных показателей поверхностного слоя деталей из стали марки 30ХГСА методом лазерного микроструктурированияEnsuring the quality indicators of the surface layer of parts made of 30KhGSA steel by laser microstructuringhttps://orcid.org/0000-0002-3866-5556КутеповС. Н.KutepovS. N.

Кутепов Сергей Николаевич - кандидат педагогических наук, доцент, доцент кафедры технологии и сервиса.

пр-т Ленина, д. 125, Тула 300026

Sergei N. Kutepov - Candidate of Sciences (Pedagogical), Associate Professor, Associate Professor of the Department of Technology and Service, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University.

125 Lenin Ave., Tula 300026

kutepovsn@yandex.ruКлементьевД. С.KlementyevD. S.

Клементьев Денис Сергеевич - старший преподаватель кафедры технологии и сервиса.

пр-т Ленина, д. 125, Тула 300026

Denis S. Klementyev - Senior Lecturer of the Department of Technology and Service, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University.

125 Lenin Ave., Tula 300026

denis.klementev.93@mail.ruСпиридоноваМ. М.SpiridonovaM. M.

Спиридонова Мария Максимовна - студент.

пр-т Ленина, д. 125, Тула 300026

Maria M. Spiridonova - Student, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University.

125 Lenin Ave., Tula 300026

mariaspiridonowa10@yandex.ruТульский государственный педагогический университет им. Л.Н. ТолстогоРоссияTula State Lev Tolstoy Pedagogical UniversityRussian Federation2024131220241441833Copyright © Кутепов С.Н., Клементьев Д.С., Спиридонова М.М., 20242024Кутепов С.Н., Клементьев Д.С., Спиридонова М.М.Kutepov S.N., Klementyev D.S., Spiridonova M.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://techusgu.elpub.ru/jour/article/view/281

Целью работы являлось изучение влияния режимов лазерного микроструктурирования на формирование качественных показателей (протяженность зоны лазерного воздействия, микротвердость) поверхностного слоя деталей, изготовленных из листовой горячекатаной стали марки 30ХГСА.

Методы

Методы. В качестве объекта исследования была выбрана конструкционная среднелегированная сталь марки 30ХГСА в горячекатаном состоянии (лист толщиной 6 мм). Для исследования изменения структуры, строения и микротвердости зоны лазерного воздействия методом лазерной резки были изготовлены специальные образцы. После лазерной резки одну из сторон образца подвергли механическому фрезерованию с целью удаления слоя с измененной структурой получаемого в ходе лазерного раскроя материала. Далее с использованием непрерывного волоконного лазера проводили лазерное микроструктурирование поверхностей образцов. Для изучения влияния лазерного микроструктурирования на изменения структуры и качества поверхностного слоя проводили металлографические и дюрометрические исследования.

Результаты

Результаты. Рассмотрены особенности изменения микроструктуры зоны лазерного воздействия в зависимости от вида лазерной обработки. Показано, что вне зависимости от вида лазерной обработки на термоупрочненной поверхности образуется «белый слой», толщина которого зависит от параметров лазерного излучения: мощности, скорости, диаметра пятна, фокусного расстояния. Выявлено, что при использовании в качестве предварительной механической обработки поверхности кромки реза операции фрезерования в подавляющем большинстве случаев белый слой не образуется.

Заключение

Заключение. Полученные результаты могут быть использованы при создании ресурсосберегающих процессов обработки материалов с использованием высококонцентрированных потоков энергии.

The purpose of the work was to study the influence of laser microstructuring modes on the formation of qualitative indicators (the length of the laser exposure zone, microhardness) of the surface layer of parts made of hot-rolled sheet steel grade 30KhGSA.

Methods

Methods. The structural medium-alloy steel of the 30KhGSA grade in the hot-rolled state (sheet 6 mm thick) was chosen as the object of research. Special samples were produced by laser cutting to study changes in the structure, structure and microhardness of the laser exposure zone. After laser cutting, one of the sides of the sample was subjected to mechanical milling in order to remove a layer with a modified structure of the material obtained during laser cutting. Next, laser microstructuring of the sample surfaces was performed using a continuous fiber laser. Metallographic and durometric studies were carried out to study the effect of laser microstructuring on changes in the structure and quality of the surface layer.

Results

Results. The peculiarities of changing the microstructure of the laser exposure zone depending on the type of laser treatment are considered. It is shown that, regardless of the type of laser treatment, a "white layer" is formed on the heat-strengthened surface, the thickness of which depends on the parameters of laser radiation: power, speed, spot diameter, focal length. It has been revealed that when milling operations are used as a preliminary mechanical treatment of the cutting edge surface, in the vast majority of cases a white layer is not formed.

Conclusion

Conclusion. The results obtained can be used to create resource-saving material processing processes using highly concentrated energy flows.

лазерная резкалазерное микроструктурированиезона лазерного воздействиябелый слоймикротвердостьlaser cuttinglaser microstructuringlaser exposure zonewhite layermicrohardnessРабота выполнена за счет средств внутреннего гранта в области научно-исследовательской деятельности ТГПУ им. Л.Н. Толстого по научному проекту «Формирование качественных характеристик на рабочих поверхностях деталей машин из конструкционных легированных сталей методом лазерного микроструктурирования» (договор № 6 НИР/24/07 от 11.07.2024 г.).The work was carried out at the expense of an internal grant in the field of research activities of the Tolstoy TSPU for the scientific project: "Formation of qualitative characteristics on the working surfaces of machine parts made of structural alloy steels by laser microstructuring" (contract No. 6 NIR/24/07 dated 07/11/2024).ReferencesКлепиков В.В., Порошин В.В., Голов В.А. Качество изделий. 2-е изд., доп. и перераб. М.: МГИУ, 2006. 252 с.Klepikov V.V., Poroshin V.V., Golov V.A. Product quality. 2nd ed. Moscow: MGIU; 2006. 252 p. (In Russ.)Радченко В.П., Саушкин М.Н. Ползучесть и релаксация остаточных напряжений в упрочненных конструкциях. М.: Машиностроение-1, 2005. 226 с.Radchenko V.P., Saushkin M.N. Creep and relaxation of residual stresses in reinforced structures. Moscow: Mashinostroenie-1; 2005. 226 p. (In Russ.)Шнейдер Ю.Г. Эксплуатационные свойства деталей с регулярным рельефом. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1982. 59 с.Schneider Yu.G. Operational properties of parts with regular relief. Leningrad: Mashinostroenie, Lening. otd-nie; 1982. 59 p. (In Russ.)Вейко В.П., Дышловенко С.С. Лазерное микроструктурирование поверхностей // Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного института точной механики и оптики (технического университета). 2001. № 4. С. 119-128.Veiko V.P., Dyshlovenko S.S. Laser microstructuring of surfaces. Nauchno-tekhnicheskii vestnik Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo instituta tochnoi mekhaniki i optiki (tekhnicheskogo universiteta) = Scientific and Technical Bulletin of the St. Petersburg State Institute of Precision Mechanics and Optics (Technical University). 2001;(4):119-128. (In Russ.)Родионов И.В. Анализ структуры поверхностного слоя, его качества и влияния на эксплуатационные свойства деталей // Современные материалы, техника и технологии. 2020. № 3 (30). С. 42-47.Rodionov I.V. Analysis of the structure of the surface layer, its quality and influence on the operational properties of parts. Sovremennye materialy, tekhnika i tekhnologii = Modern materials, equipment and technologies. 2020;(3):42-47. (In Russ.)Лазерная установка для микроструктурирования поверхности металла с использованием волоконного лазера / О.С. Васильев, В.П. Вейко, С.Г. Горный, Ю.С. Рузанкина // Оптический журнал. 2015. Т. 82, № 12. С. 70-77.Vasiliev O.S., Veiko V.P., Gorny S.G., Ruzankina Yu.S. Laser installation for microstructuring a metal surface using a fiber laser. Opticheskii zhurnal = Optical Journal. 2015;82(12):70-77. (In Russ.)Югов В.И., Афанасьева Л.Е., Новоселова М.В. Особенности формирования структуры и микрогеометрии поверхности лазерных наплавок с использованием многоканального СО2- лазера // Упрочняющие технологии и покрытия. 2016. № 11 (143). С. 19-22.Yugov V.I., Afanasyeva L.E., Novoselova M.V. Features of the formation of the structure and microgeometry of the surface of laser surfacing using a multichannel CO2 laser. Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya = Hardening technologies and coatings. 2016;(11):19-22. (In Russ.)Формирование упрочненного поверхностного слоя при комплексном лазерном воздействии на кромку реза деталей из конструкционных углеродистых сталей / И.В. Минаев, С.Н. Кутепов, Д.С. Клементьев, Е.В. Агеев, Д.В. Журба // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2023. Т. 13, № 2. С. 55-69. https://doi.org/10.21869/2223-1528-2023-13-2-55-69.Minaev I.V., Kutepov S.N., Klementyev D.S., Ageev E.V., Zhurba D.V. Formation of a har-dened surface layer under complex laser action on the cutting edge of parts made of structural Carbon steels. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Tekhnika i tekhnologii = Proceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technologies. 2023;13(2):55- 69. (In Russ.) https://doi.org/10.21869/2223-1528-2023-13-2-55-69Medres B.S., Bamberger M. Laser texturing of friction surfaces // Lasers in Engineering. 2008. Vol. 18. P. 137-144.Medres B.S., Bamberger M. Laser texturing of friction surfaces. Lasers in Engineering. 2008;18:137-144.Шастин В.И., Каргапольцев С.К. Лазерное модифицирование сопрягаемых поверхностей трения // Вестник СамГУПС. 2016. № 3 (33). С. 27-33.Shastin V.I., Kargapoltsev S.K. Laser modification of mating friction surfaces. Vestnik of SamGUPS. 2016;(3):27-33. (In Russ.)Влияние режимов лазерной обработки на изменение структуры и механических свойств поверхностного слоя деталей из стали марки 30ХГСА / И.В. Минаев, С.Н. Кутепов, Д.С. Клементьев, Е.В. Агеев // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2023. Т. 13, № 1. С. 73-86. https://doi.org/10.21869/2223-1528-2023-13-1-73-86.Minaev I.V., Kutepov S.N., Klementyev D.S., Ageev E.V. The influence of laser processing modes on changes in the structure and mechanical properties of the surface layer of parts made of 30KhGSA steel. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Tekhnika i tekhnologii = Proceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technologies. 2023;13(1):73-86. (In Russ.) https://doi.org/10.21869/2223-1528-2023-13-1-73-86Взаимодействие лазерного излучения с веществом, силовая оптика / В.П. Вейко, М.Н. Либенсон, Г.Г. Червяков, Е.Б. Яковлев. М.: Физматлит, 2008. 312 с.Veiko V.P., Libenson M.N., Chervyakov G.G., Yakovlev E.B. Interaction of laser radiation with matter, power optics. Moscow: Fizmatlit; 2008. 312 p. (In Russ.)Ведерникова И.И., Полетаев В.А. Упрочнение рабочих поверхностей деталей машин лазерным модифицированием // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. 2008. Вып. 3. С. 1-3.Vedernikova I.I., Poletaev V.A. Hardening of working surfaces of machine parts by laser modification. Vestnik Ivanovskogo gosudarstvennogo energeticheskogo universiteta = Bulletin of the Ivanovo State Energy University. 2008;(3):1-3. (In Russ.)Алисин В.В. Влияние лазерной обработки на качество поверхности черных металлов // Фундаментальные основы механики. 2022. № 10. С. 24-27.Alisin V.V. Influence of laser treatment on the surface quality of ferrous metals. Fundamental'nye osnovy mekhaniki = Fundamental principles of Mechanics. 2022;(10):24-27. (In Russ.)Влияние режимов обработки лазерным лучом на параметры зон термического воздействия и триботехнические характеристики сталей / А.А. Якубовский, В.П. Бирюков, А.Н. Принц, А.П. Савин // XXXIII Международная инновационная конференция молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения (МИКМУС-2021): труды конференции. М.: Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, 2021. С. 264-270.Yakubovsky A.A., Biryukov V.P., Prince A.N., Savin A.P. The influence of laser beam treatment modes on the parameters of thermal impact zones and tribotechnical characteristics of steels. In: XXXIII Mezhdunarodnaya innovatsionnaya konferentsiya molodykh uchenykh i studentov po prob- lemam mashinovedeniya (MIKMUS-2021): trudy konferentsii = XXXIII International innovative conference of young scientists and students on problems of machine science (MICMUS-2021). Moscow: Institut machinovedeniya im. A.A. Blagonravova RAN; 2021. P. 264-270. (In Russ.)Индукционная и лазерная термическая обработка стальных изделий / М.В. Майсурадзе, М.А. Рыжков, О.Ю. Корниенко, С.И. Степанов. Екатеринбург: Урал. федер. ун-т им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, 2022. 92 с.Maisuradze M.V., Ryzhkov M.A., Kornienko O.Yu., Stepanov S.I. Induction and laser heat treatment of steel product. Yekaterinburg: Izd-vo Ural fed. univ. im. pervogo Presidenta Rossii B.N. Yeltsina; 2022. 92 p. (In Russ.)Лазерное и электроэрозионное упрочнение материалов / В.С. Коваленко, А.Д. Верхотуров, Л.Ф. Головко, И.А. Подчерняева. М.: Наука, 1986. 276 с.Kovalenko V.S., Verkhoturov A.D., Golovko L.F., Podchernyaeva I. A. Laser and electroerosive hardening of materials. Moscow: Nauka; 1986. 276 p. (In Russ.)Тескер Е.И., Асеева Е.Н., Соломатин А.В. Исследование процессов формирования поверхностных слоев при лазерной обработке деталей узлов трения из конструкционных сталей // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2018. № 3 (213). С. 121-124.Tesker E.I., Aseeva E.N., Solomatin A.V. Investigation of the processes of formation of surface layers during laser processing of parts of friction units made of structural steels. Izvestiya Volgogradskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta = Proceedings of the Volgograd State Technical University. 2018;(3):121-124. (In Russ.)Григорьянц А.Г., Казарян М.А., Лябин Н.А. Лазерная прецизионная микрообработка материалов. М.: Физматлит, 2017. 416 с.Grigoryants A.G., Kazaryan M.A., Lyabin N.A. Laser precision microprocessing of materials. Moscow: Fizmatlit; 2017. 416 p. (In Russ.)Лазерное микроструктурирование поверхности стали / Л.Е. Афанасьева, С.А. Третьяков, А.И. Иванова, Р.М. Гречишкин // Упрочняющие технологии и покрытия. 2018. Т. 14, № 7 (163). С. 297-302.Afanasyeva L.E., Tretyakov S.A., Ivanova A.I., Grechishkin R.M. Laser microstructuring of the steel surface. Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya = Hardening technologies and coatings. 2018;14(7):297-302. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.