techusguИзвестия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологииProceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technology2223-1528Юго-Западный государственный университет10.21869/2223-1528-2023-13-1-73-86techusgu-8Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMETALLURGY AND MATERIALS SCIENCEВлияние режимов лазерной обработки на изменение структуры и механических свойств поверхностного слоя деталей из стали марки 30ХГСАThe Effect of Laser Processing Modes on the Change in the Structure and Mechanical Properties of the Surface Layer of Parts Made of 30XGSA SteelМинаевИ. В.MinaevI. V.

Минаев Игорь Васильевич, кандидат технических наук, генеральный директор

Городской переулок 39, г. Тула 300026

Igor V. Minaev, Cand. of Sci. (Engineering), General Director

City Lane 39, Tula 300026

ivminaev1960@yandex.ruКутеповС. Н.KutepovS. N.

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

пр. Ленина 125, г. Тула 30026

Sergey N. Kutepov, Cand. of Sci. (Pedagogical), Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Department of Technology and Service

125 Lenin Ave., Tula 30026

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

Клементьев Денис Сергеевич, преподаватель кафедры технологии и сервиса

пр. Ленина 125, г. Тула 30026

Denis S. Klementyev, Lecturer of the Department of Technology and Service

125 Lenin Ave., Tula 30026

denis.klementev.93@mail.ruАгеевЕ. В.AgeevE. V.

Агеев Евгений Викторович, доктор  технических наук, профессор, профессор  кафедры технологии материалов и транспорта

ул. 50 лет Октября 94, г. Курск 305040

Evgeny V. Ageev, Dr. of Sci. (Engineering), Professor, Professor of the Department of Technology of Materials and Transport

  50 Let Oktyabrya Str. 94, Kursk 305040

ageev_ev@mail.ruООО Научно-производственное предприятие «Телар»РоссияOOO Scientific and production enterprise "Telar"Russian FederationТульский государственный педагогический университет имени Л. Н. ТолстогоРоссияTula State Pedagogical University named after L. N. TolstoyRussian FederationЮго-Западный государственный университетРоссияSouthwest State UniversityRussian Federation2023200420231317386Copyright © Минаев И.В., Кутепов С.Н., Клементьев Д.С., Агеев Е.В., 20232023Минаев И.В., Кутепов С.Н., Клементьев Д.С., Агеев Е.В.Minaev I.V., Kutepov S.N., Klementyev D.S., Ageev E.V.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/8

Целью работы являлось изучение влияния режимов лазерной обработки (резка, очистка, шлифование) на изменение структуры и механических свойств поверхностного слоя деталей, изготовленных из стали марки 30ХГСА, полученной различными методами.

Методы исследования

Методы исследования. В качестве объекта исследования была выбрана конструкционная среднелегированная сталь марки 30ХГСА в литом (пруток Ø8 мм) и горячекатаном (лист толщиной 6 мм) состояниях. Для исследования влияния лазерной очистки на изменение структуры и механических свойств деталей машин с использованием лазерной резки были изготовлены специальные образцы.

Результаты

Результаты. Установлено, что лазерная очистка горячекатаной стали марки 30ХГСА без предварительной обработки поверхности (в частности, механического шлифования) приводит к образованию микротрещин. Выявлены закономерности изменения структуры зоны газолазерного термического воздействия после лазерной очистки. Показано, что лазерная очистка поверхности приводит к образованию более плотной структуры и увеличению микротвердости, которое происходит за счет диффузии углерода к поверхностным слоям детали. Установлено, что характер изменения микротвердости у всех исследованных образцов стали 30ХГСА в литом и горячекатаном состояниях одинаков: наибольшие значения достигаются около поверхности газолазерной обработки и составляют, например, для литой стали 250–320 HV, что в 1,3–1,6 раза больше исходной микротвердости (194 HV), а для горячекатаной стали 247–273 HV, что в  1,5–1,6 раза больше исходной микротвердости (168 HV). Таким образом, на поверхности детали после газолазерной обработки (лазерная очистка и лазерная шлифовка) формируется упрочненный слой, обладающий повышенной износостойкостью.

Заключение

Заключение. Полученные результаты могут быть использованы при создании ресурсосберегающих процессов обработки материалов.

The purpose of the work was to study the influence of laser processing modes (cutting, cleaning, grinding) on the change in the structure and mechanical properties of the surface layer of parts made of 30XGSA steel obtained by various methods. 

Methods of research

Methods of research. As an object of study, we chose medium-alloyed structural steel grade 30KhGSA in cast (rod Ø8 mm) and hot-rolled (sheet 6 mm thick) states. To study the effect of laser cleaning on the change in the structure and mechanical properties of machine parts using laser cutting, special samples were made.

Results

Results. It has been established that laser cleaning of hot-rolled steel grade 30KhGSA without preliminary surface treatment (in particular, mechanical grinding) leads to the formation of microcracks. Regularities of changes in the structure of the gas-laser thermal impact zone after laser cleaning are revealed. It is shown that laser surface cleaning leads to the formation of a denser structure and an increase in microhardness, which occurs due to the diffusion of carbon to the surface layers of the part. It has been established that the nature of the change in microhardness for all studied samples of 30KhGSA steel in the cast and hot-rolled states is the same: the highest values are achieved near the surface of gas-laser treatment and are, for example, for cast steel 250-320 HV, which is 1,3-1,6 times greater than the initial microhardness (194 HV), and for hot-rolled steel 247-273 HV, which is 1,5-1,6 times greater than the initial microhardness (168 HV). Thus, a hardened layer with increased wear resistance is formed on the surface of the part after gas-laser processing (laser cleaning and laser polishing).

Conclusion

Conclusion.The results obtained can be used in the creation of resource-saving material processing processes.

лазерная резкалазерная очистказона газолазерного термического воздействиямикротвердостьlaser cuttinglaser cleaninggas-laser thermal impact zonemicrohardnessReferencesУпрочнение деталей лучом лазера / В. С. Коваленко, Л. Ф. Головко, Г. В. Меркулов, А. И. Стрижак; под общ. ред. В. С. Коваленко. Киев: Техника, 1981. 131 с.Kovalenko V. S., Golovko L. F., Merkulov G. V., Strizhak A. I. Uprochnenie detalei luchom lazera [Hardening of parts with a laser beam]; ed. by V. S. Kovalenko. Kyiv, Tekhnika Publ., 1981. 131 p.Верещагин М. Н., Целуева С. Н., Целуев М. Ю. Модифицирование поверхностных слоев металлических деталей импульсной лазерной обработкой // Литье и металлургия. 2020. № 1. С. 99–109.Vereshchagin M. N., Tselueva S. N., Tseluev M. Yu. Modifitsirovanie poverkhnostnykh sloev metallicheskikh detalei impul'snoi lazernoi obrabotkoi [Modification of surface layers of metal parts by pulsed laser treatment]. Lit'e i metallurgiya = Casting and Metallurgy, 2020, no. 1, pp. 99–109.Лазерная очистка в машиностроении и приборостроении / В. П. Вейко, В. Н. Смирнов, А. М. Чирков, Е. А. Шахно. СПб.: НИУ ИТМО, 2013. 103 с.Veiko V. P., Smirnov V. N., Chirkov A. M., Shakhno E. A. Lazernaya ochistka v mashinostroenii i priborostroenii [Laser cleaning in mechanical engineering and instrumentation]. St. Petersburg, ITMO Research Institute Publ., 2013. 103 p.Лазерная очистка поверхностей металлов: физические процессы и применение / В. П. Вейко, Т. Ю. Мутин, В. Н. Смирнов, Е. А. Шахно, С. А. Батище // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2008. Т. 51, № 4. С. 30–36.Veiko V. P., Mutin T. Y., Smirnov V. N., Shakhno E. A., Batishche S. A. Lazernaya ochistka poverkhnostei metallov: fizicheskie protsessy i primenenie [Laser cleaning of metal surfaces: physical processes and applications]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Priborostroenie = Proceedings of Higher Educational Institutions. Instrumentation, 2008, vol. 51, no. 4, pp. 30–36.Влияние параметров лазерной резки на качество поверхности реза стальных листов / И. В. Минаев, Н. Н. Сергеев, И. В. Тихонова, А. Е. Гвоздев, Д. М. Хонелидзе, И. В. Голышев // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2014. Вып. 3. С. 50–58.Minaev I. V., Sergeev N. N., Tikhonova I. V., Gvozdev A. E., Khonelid- ze D. M., Golyshev I. V. Vliyanie parametrov lazernoi rezki na kachestvo poverkhnosti reza stal'nykh listov [The influence of laser cutting parameters on the quality of the cutting surface of steel sheets]. Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Tekhnicheskie nauki = Proceedings Tula State University. Technical Sciences, 2014, is. 3, pp. 50–58.Многопараметрическая оптимизация параметров лазерной резки стальных листов / А. Е. Гвоздев, И. В. Голышев, И. В. Минаев, А. Н. Сергеев, Н. Н. Сергеев, И. В. Тихонова, Д. М. Хонелидзе, А. Г. Колмаков // Материаловедение. 2015. № 2. С. 31–36.Gvozdev A. E., Golyshev I. V., Minaev I. V., Sergeev A. N., Sergeev N. N., Tikhono- va I. V., Khonelidze D. M., Kolmakov A. G. Mnogoparametricheskaya optimizatsiya parametrov lazernoi rezki stal'nykh listov [Multiparametric optimization of parameters of laser cutting of steel sheets]. Materialovedenie = Materials Science, 2015, no. 2, pp. 31–36.Распределение температур и структура в зоне термического влияния для стальных листов после лазерной резки / А. Е. Гвоздев, Н. Н. Сергеев, И. В. Минаев, А. Г. Колмаков, И. В. Тихонова, А. Н. Сергеев, Д. А. Провоторов, Д. М. Хонелидзе, Д. В. Малий, И. В. Голышев // Материаловедение. 2016. № 9. С. 3–7.Gvozdev A. E., Sergeev N. N., Minaev I. V., Kolmakov A. G., Tikhono- va I. V., Sergeev A. N., Provotorov D. A., Khonelidze D. M., Maliy D. V., Golyshev I. V. Raspredelenie temperatur i struktura v zone termicheskogo vliyaniya dlya stal'nykh listov posle lazernoi rezki [Temperature distribution and structure in the zone of thermal influence for steel sheets after laser cutting]. Materialovedenie = Materials Science, 2016, no. 9, pp. 3–7.Влияние содержания углерода и параметров лазерной резки на строение и протяженность зоны термического влияния стальных листов / Н. Н. Сергеев, И. В. Минаев, А. Е. Гвоздев, А. Е. Чеглов, И. В. Тихонова, О. М. Губанов, И. А. Цыганов, Е. С. Алявдина, А. Д. Бреки // Сталь. 2018. № 5. С. 21–26.Sergeev N. N., Minaev I. V., Gvozdev A. E., Cheglov A. E., Tikhono- va I. V., Gubanov O. M., Tserganov I. A., Alyavdina E. S., Breki A. D. Vliyanie soderzhaniya ugleroda i parametrov lazernoi rezki na stroenie i protyazhennost' zony termicheskogo vliyaniya stal'nykh listov [Influence of carbon content and parameters of laser cutting on the structure and length of the heat-affected zone of steel sheets]. Stal'= Staly, 2018, no. 5, pp. 21–26.Методология выбора режимов лазерной резки листов из конструкционных сталей для обеспечения требуемого комплекса показателей качества поверхности / Н. Н. Сергеев, И. В. Минаев, И. В. Тихонова, А. Е. Гвоздев, А. Г. Колмаков, А. Н. Сергеев, С. Н. Кутепов, Д. В. Малий // Материаловедение. 2019. № 10. С. 25–32.Sergeev N. N., Minaev I. V., Tikhonova I. V., Gvozdev A. E., Kolmakov A. G., Serge- ev A. N., Kutepov S. N., Maliy D. V. Metodologiya vybora rezhimov lazernoi rezki listov iz konstruktsionnykh stalei dlya obespecheniya trebuemogo kompleksa pokazatelei kachestva poverkhnosti [Methodology for selecting modes of laser cutting of sheets from structural steels to ensure the required set of indicators of surface quality]. Materialovedenie = Material Science, 2019, no. 10, pp. 25–32.Формирование поверхности реза и поверхностное упрочнение при лазерной резке звездочек цепных передач из сталей СТ3 и 30ХГСА / И. В. Минаев, И. В. Тихонова, А. Е. Гвоздев, А. Г. Колмаков, Е. А. Архипова // Деформация и разрушение материалов. 2020. № 9. С. 16–21.Minaev I. V., Tikhonova I. V., Gvozdev A. E., Kolmakov A. G., Arkhipova E. A. Formirovanie poverkhnosti reza i poverkhnostnoe uprochnenie pri lazernoi rezke zvezdochek tsepnykh peredach iz stalei ST3 i 30KhGSA [Formation of the cut surface and surface hardening during laser cutting of chain gear sprockets from ST3 and 30KhGSA steels]. Deformatsiya i razrushenie materialov = Deformation and Destruction of Materials, 2020, no. 9, pp. 16–21.Особенности строения зоны газолазерного термического влияния конструкционных легированных сталей марок 09Г2С и 20Х13 / И. В. Минаев, А. Е. Гвоздев, С. Н. Кутепов, Д. С. Клементьев, А. А. Калинин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. Вып. 10. С. 499–506.Minaev I. V., Gvozdev A. E., Kutepov S. N., Klementyev D. S., Kalinin A. A. Osobennosti stroeniya zony gazolazernogo termicheskogo vliyaniya konstruktsionnykh legirovannykh stalei marok 09G2S i 20Kh13 [Features of the structure of the zone of gas-laser thermal influence of structural alloy steels of grades 09G2S and 20Kh13]. Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Tekhnicheskie nauki = Proceedings of the Tula State University. Technical Science, 2022, is. 10, pp. 499–506.Суслов А. Г. Качество поверхностного слоя деталей машин. М.: Машиностроение, 2000. 320 с.Suslov A. G. Kachestvo poverkhnostnogo sloya detalei mashin [The quality of the surface layer of machine parts]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 2000. 320 p.Леонтьев П. А., Чеканова Н. Г., Хан М. Г. Лазерная поверхностная обработка металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1986. 142 с.Leontiev P. A., Chekanova N. G., Khan M. G. Lazernaya poverkhnostnaya obrabotka metallov i splavov [Laser surface treatment of metals and alloys]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1986. 142 p.Криштал М. А., Жуков А. А., Кокора А. Н. Структура и свойства сплавов, обработанных излучением лазера. М.: Металлургия, 1973. 192 с.Krishtal M. A., Zhukov A. A., Kokora A. N. Struktura i svoistva splavov, obrabotannykh izlucheniem lazera [Structure and properties of alloys treated with laser radiation]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1973. 192 p.Взаимодействие 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. Vzaimodeistvie lazernogo izlucheniya s veshchestvom, silovaya optika [Interaction of laser radiation with matter, power optics]. Moscow, Fizmatlit Publ., 2008. 312 p.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. Uprochnenie rabochikh poverkhnostei detalei mashin lazernym modifitsirovaniem [Hardening of working surfaces of machine parts by laser modification]. Vestnik Ivanovskogo gosudarstvennogo energeticheskogo universiteta = Bulletin of the Ivanovo State Power Engineering University, 2008, is. 3, pp. 1–3.Корнеев В. В., Косырев Ф. К., Морящев С. Ф. О некоторых зависимостях термообработки лазером // Физика и химия обработки материалов. 1980. № 36. С. 32–33.Korneev V. V., Kosyrev F. K., Moryashchev S. F. O nekotorykh zavisimostyakh termoobrabotki lazerom [On some dependencies of laser heat treatment]. Fizika i khimiya obrabotki materialov = Physics and Chemistry of Materials Processing, 1980, no. 36, pp. 32–33.Спиридонов Н. В., Кобяков О. С., Куприянов И. Л. Плазменные и лазерные методы упрочнения деталей машин. Минск: Вышэйшая школа, 1988. 155 с.Spiridonov N. V., Kobyakov O. S., Kupriyanov I. L. Plazmennye i lazernye metody uprochneniya detalei mashin [Plasma and laser methods of hardening machine parts]. Minsk, Vysheyshaya shkola Publ., 1988. 155 p.Крапошин В. С., Шахлевич К. П., Вяземский М. Г. Влияние лазерного нагрева на количество остаточного аустенита в сталях и чугунах // Металловедение и термическая обработка металлов. 1989. № 10. С. 21–23.Kraposhin V. S., Shakhlevich K. P., Vyazemsky M. G. Vliyanie lazernogo nagreva na kolichestvo ostatochnogo austenita v stalyakh i chugunakh [The effect of laser heating on the amount of residual austenite in steels and cast irons]. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov = Metal Science and Heat Treatment of Metals, 1989, no. 10, pp. 21–23.Войтович О. Н., Сокоров И. О. Исследование влияния параметров лазерной термообработки на свойства упрочненных поверхностных слоев // Вестник Белорусско-Российского университета. 2013. № 2 (39). С. 6–14.Voitovich О. N., Sokorov I. О. Issledovanie vliyaniya parametrov lazernoi termoobrabotki na svoistva uprochnennykh poverkhnostnykh sloev [The research into the influence of laser thermal processing parameters on the properties of strengthened surface layers]. Vestnik Belorussko-Rossiiskogo universiteta = Bulletin of the Belarusian-Russian University, 2013, no. 2 (39), pp. 6–14.

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