Поверхностное микроструктурирование горячекатаных углеродистых конструкционных сталей при комплексном воздействии лазерным излучением

   Целью работы являлось изучение влияния режимов лазерного микроструктурирования кромки реза на изменение структуры и механических свойств поверхностного слоя деталей, изготовленных из горячекатаных конструкционных углеродистых сталей марок 20, 35, 45.

   Методы. В качестве объектов исследования были выбраны конструкционные углеродистые стали марок 20, 35, 45. Для исследования влияния лазерного модифицирования на изменение структуры и механических свойств деталей машин с использованием лазерной резки были изготовлены специальные образцы в виде квадратных пластин (35×35 мм) толщиной 2 мм (Ст20 и Ст45) и 4 мм (Ст35). После лазерной резки по режимам одну из сторон образца подвергли механическому шлифованию 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 свойств поверхностного слоя проводили металлографические и дюрометрические исследования.

   Результаты. Выявлены закономерности строения зоны лазерного воздействия конструкционных углеродистых сталей после лазерного микроструктурирования, которая состоит из двух слоев: нетравящийся (слаботравящийся) белый слой, представляющий собой мелкодисперсный мартенсит игольчатого строения, и непосредственно следующая за ним зона термического влияния, которая в зависимости от содержания углерода в стали имеет различную структуру: ферритно-перлитную, мартенситную, троостомартенситную, мартенситно-перлитную. Установлено, что лазерное микроструктурирование предварительно отшлифованной поверхности в ряде случаев приводит к увеличению значений микротвердости и протяженности зоны лазерного воздействия, что может быть связано с увеличением поглощающей способности материала отшлифованной поверхности и, соответственно, уменьшением его отражающей способности.

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

1. Основы лазерной и газоплазменной обработки сталей: монография / Н. Н. Сергеев, И. В. Минаев, И. В. Тихонова, С. Н. Кутепов, М. Ю. Комарова, Е. С. Алявдина, А. Е. Гвоздев, А. А. Калинин. Тула: Изд-во ТулГУ, 2017. 337 с.

2. Григорьянц А. Г. Основы лазерной обработки материалов. М.: Наука, 1989. 304 с.

3. Коваленко В. С., Головко Л. Ф., Черненко В. С. Упрочнение и легирование деталей машин лучом лазера. Киев: Тэхника, 1990. 192 с.

4. Перспективы индустриальных применений лазерной очистки материалов / В. П. Вейко, А. А. Кишалов, Т. Ю. Мутин, В. Н. Смирнов // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2012. № 3 (79). С. 50–54.

5. Суслов А. Г. Качество поверхностного слоя деталей машин. М.: Машиностроение, 2000. 320 с.

6. Лазерная очистка в машиностроении и приборостроении / В. П. Вейко, В. Н. Смирнов, А. М. Чирков, Е. А. Шахно. СПб.: НИУ ИТМО, 2013. 103 с.

7. 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.

8. Lu Y. F., Ren Z. M. Laser microprocessing and the applications in microelectronics industry // Proc. SPIE. 2000. Vol. 4157. P. 191–199.

9. 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.

10. Югов В. И., Афанасьева Л. Е., Новоселова М. В. Особенности формирования структуры и микрогеометрии поверхности лазерных наплавок с использованием многоканального СОsub>2</sub>-лазера // Упрочняющие технологии и покрытия. 2016. № 11 (143). С. 19–22.

11. 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. doi: 10.21869/2223-1528-2023-13-2-55-69

12. Взаимодействие лазерного излучения с веществом, силовая оптика / В. П. Вейко, М. Н. Либенсон, Г. Г. Червяков, Е. Б. Яковлев. М.: Физматлит, 2008. 312 с.

13. Ведерникова И. И., Полетаев В. А. Упрочнение рабочих поверхностей деталей машин лазерным модифицированием // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. 2008. Вып. 3. С. 1–3.

14. Алисин В. В. Влияние лазерной обработки на качество поверхности черных металлов // Фундаментальные основы механики. 2022. № 10. С. 24–27.

15. 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). М.: Изд-во ФГБУН «Институт машиноведения им. А. А. Благонравова» РАН, 2021. С. 264–270.

16. Индукционная и лазерная термическая обработка стальных изделий / М. В. Майсурадзе, М. А. Рыжков, О. Ю. Корниенко, С. И. Степанов. Екатеринбург: Изда-во Уральского федер. ун-та им. первого Президента России Б. Н. Ельцина, 2022. 92 с.

17. Лазерное и электроэрозионное упрочнение материалов / В. С. Коваленко, А. Д. Верхотуров, Л. Ф. Головко, И. А. Подчерняева. М.: Наука, 1986. 276 с.

18. 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.

19. Григорьянц А. Г., Казарян М. А. Лябин Н. А. Лазерная прецизионная микрообработка материалов. М.: Физматлит, 2017. 416 с.

20. 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.