Влияние режимов лазерной обработки на изменение структуры и механических свойств поверхностного слоя деталей из стали марки 30ХГСА

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

1. Упрочнение 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.

2. 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.

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

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

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

13. Леонтьев П. А., Чеканова Н. Г., Хан М. Г. Лазерная поверхностная обработка металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1986. 142 с.

14. Криштал М. А., Жуков А. А., Кокора А. Н. Структура и свойства сплавов, обработанных излучением лазера. М.: Металлургия, 1973. 192 с.

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

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

17. Корнеев В. В., Косырев Ф. К., Морящев С. Ф. О некоторых зависимостях термообработки лазером // Физика и химия обработки материалов. 1980. № 36. С. 32–33.

18. Спиридонов Н. В., Кобяков О. С., Куприянов И. Л. Плазменные и лазерные методы упрочнения деталей машин. Минск: Вышэйшая школа, 1988. 155 с.

19. 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.

20. 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.