Влияние лазерного микроструктурирования на структуру и свойства поверхностного слоя деталей из углеродистой стали марки У8А

Целью работы являлось исследование влияния лазерного микроструктурирования на изменение микротвердости и структуры зоны лазерного воздействия листовой высокоуглеродистой стали марки У8А. Методы. В качестве объектов исследования была выбрана листовая инструментальная высокоуглеродистая сталь марки У8А (толщина листа 10 мм), из которого с помощью непрерывного волоконного лазера, снабженного оптической головкой ЭИП1119 производства НТО «ИРЭ-Полюс», вырезали образцы для исследования. После газолазерной резки проводили лазерное микроструктурирование поверхности проката Q-switch волоконным импульсным лазером по режиму: скорость 40 мм/с; мощность 100 Ватт; частота 100 кГц, длительность импульса 100 нс, энергия импульса 1мДж. Для изучения микроструктуры были изготовлены шлифы с последующим травлением поверхности 5%-ным раствором HNO3 в спирте. Микроструктуру изучали на инвертированном, металлографическом микроскопе Nikon MA200 при разных увеличениях. Для измерения макротвердости использовалось следующее оборудование: твердомеры Роквелл ТР-150М (шкалы HRC, HRB и HRA), Супер-Роквелл ТРС 5009-01М (шкала HRN15 – при нагрузке 15 кгс). Микротвердость измеряли на твердомере KBW1-V при нагрузках: 10 Н, 1 Н и 0,25 Н.
Результаты. Установлено, что обработка лазером поверхности образцов привела к повышению твердости поверхностного слоя глубиной 0,029–0,045 мм приблизительно в два раза. Выявлено, что повышение твердости происходит за счет изменения структуры поверхностного слоя образцов в результате увеличения дисперсности зернистого перлита. В процессе лазерного воздействия происходит нагрев поверхности образцов и дальнейшее охлаждение на воздухе после отведения лазера, что соответствует классической термообработке – нормализации. Полученные значения твердости соответствуют структуре троостита.
Заключение. Полученные результаты могут быть использованы при создании ресурсосберегающих процессов обработки материалов. 

1. Особенности газолазерной резки углеродистых сталей: монография / И.В. Минаев, С.Н. Кутепов, А.Н. Сергеев, Д.С. Клементьев, И. В. Голышев. Тула: Изд-во ТулГУ, 2024. 170 с.

2. Поверхностное микроструктурирование горячекатаных углеродистых конструкционных сталей при комплексном воздействии лазерным излучением / И.В. Минаев, С.Н. Кутепов, Д.С. Клементьев, Д.В. Журба, И.В. Голышев // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2024. Т. 14, № 2. С. 8–21. https://doi.org/10.21869/22231528-2024-14-2-8-21.

3. Гладуш Г.Г., Смуров И.Ю. Физические основы лазерной обработки материалов. М.: Физматлит, 2017. 592 с.

4. 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.

5. Фундаментальные основы технологического обеспечения и повышения надежности изделий машиностроения / под ред. А.Г. Суслова. М.: Инновационное машиностроение, 2022. 552 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. Гаврилов Д.И., Жданов А.В., Беляев И.В. Влияние лазерной модификации поверхности на физико-механические и трибологические свойства штамповой стали // Ползуновский вестник. 2022. № 4-2. С. 14–18.

9. 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.

10. Кутепов С.Н., Клементьев Д.С., Спиридонова М.М. Влияние параметров лазерного микроструктурирования на особенности строения зоны лазерного воздействия деталей из стали марки 30ХГСА // Современное перспективное развитие науки, техники и технологий: сборник научных статей 2-й Международной научно-технической конференции. Курск: Университетская книга, 2024. С. 197–201.

11. Кутепов С.Н., Клементьев Д.С., Спиридонова М.М. Обеспечение качественных показателей поверхностного слоя деталей из стали марки 30ХГСА методом лазерного микроструктурирования // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2024. Т. 14, № 4. С. 18–33. https://doi.org/10.21869/2223-1528-2024-14-4-18-33.

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

13. Али Е., Валеев И. А., Таяа А. Методика исследования шероховатости и распределение значений микротвердости поверхности стали 40Х13 после лазерной обработки на примере инструмента скальпеля медицинского // Молодой исследователь 2024: сборник статей VI Международной научно-практической конференции. Пенза: Наука и Просвещение, 2024. С. 2–32.

14. Новиков И.И. Теория термической обработки стали. 5-е изд. М.: ЛЕНАНД, 2021. 480 с.

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

16. Кутепов С.Н., Клементьев Д.С., Спиридонова М.М. Формирование качественных показателей поверхностного слоя деталей машин методами лазерной обработки // Фундаментальные основы механики. 2024. № 14. С. 141–146.

17. 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.

18. Лазерное термоупрочнение колес зубчатых, изготовленных из порошковых материалов / Д.А. Разин, И.С. Печников, К.А. Фролов, А.Б. Люхтер // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Инженерные исследования. 2023. Т. 24, № 4. С. 323–330.

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