Лазерная закалка углеродистых и легированных инструментальных сталей

 Лазерная закалка обеспечивает повышение твердости сталей по сравнению с обычной закалкой за счёт измельчения кристаллов мартенсита и увеличения плотности дислокаций (при импульсной лазерной закалке стали 45 плотность дислокаций достигает 30×10 / см², после обычной 0,3×10 / см²)

При лазерной обработке (ЛО) с оплавлением эвтектоидных и заэвтектоидных углеродистых ста­лей в зоне оплавления кроме мелкокристаллического мартенсита присутствует остаточный ау­стенит: в стали У8- 39%, а в стали У10- до 45%. По этой причине твёрдость стали У10 ниже, чем стали У8, но остаётся высокой вследствие фазового наклёпа. Микротвёрдость стали из­меняется по глубине упрочнённого слоя - зоны лазерного воздействия (ЗЛВ) (табл. 20.2).

На сталях У8 и У9 обработка проводилась с оплавлением на глубину ~ 50 мкм непрерывным излучением лазера мощностью Р=1кВт (скорость перемещения лазерного луча v_л = 1,7 мм/с), при этом микротвёрдость возрастает на глубине ~0,35мм, на стали У12, также в отожженном состоянии, в зависимости от скорости перемещения лазерного луча (глубина упрочнённой зоны составляет от 0,15-0,60 мм).

 Та б л и ц а 20.2

Изменение микротвёрдости по глубине ЗЛВ стали У8,У9 и У12

 

сталь	vл мм/с (м/мин)	Н , на расстоянии от поверхности, мм
		0	0,05	0,1	0,15	0,2	0,25	0,3	0,4	0,6/0,65	0,9
У8	1,7	1070	-	-	-	1000	-	350-410	350-410	-	-
У9		1000	1150	950	890	1000	620	550	550	-	550
У12	(0,6)	1000	1000	1000	1000	1000	1000	1000	1000	1000	300
										300
	(1,8)	-	1050	1050	1050	1100	1200	1100	300	300	300
	(4,2)	-	1200	1000	1000	300	300	300	-	-	-

 

Легирование никелем стали 8Н1А, а 7Н2МФА, помимо никеля, молибденом и ванадием увеличивает упрочненную зону и обеспечивает более плавный переход от высокой твёрдости поверхности к сердцевине. В табл.20.3 представлены данные, характеризующие влияние мощности излучения (при постоянной скорости перемещения лазерного луча) и скорости перемещения лазерного луча (при постоянной мощности) на глубину зоны упрочнения сталей.

Т а б л и ц а  20.3

Влияние мощности излучения и скорости перемещения лазерного луча на глубину зоны упрочнения

Сталь	Глубина упрочнённой зоны, h мм
	В зависимости от мощности, Вт vл=40мм/с				В зависимости от скорости перемещения лазерного луча vл, мм/с; Р=500Вт
	500	800	1100	1400	15	30	45	60
У10А	0,06	0,18	0,26	0,34	0,29	0,16	0,08	0,03
У10АГ	0,07	0,22	0,31	0,38	0,33	0,17	0,09	0,05
9ХФМ	0,11	0,19	0,28	0,31	0,25	0,17	0,11	0,08
7Н2МФА	0,18	0,28	0,33	0,37	0,34	0,24	0,16	0,11

 

При всех режимах обработки максимальная глубина упрочнения получена на стали 7Н2МФА.

Очевидна целесообразность использования лазерного упрочнения для инструмента, изготовленного из выше приведенных марок сталей, особенно из легированных 9ХМФ, 8Н1А, 7Н2МФА, при ЛО которых обеспечивается получение высокой поверхностной твёрдости, достаточной глубины упрочнённого слоя и плавного перехода от высокой твёрдости поверхности к твёрдости сердцевины, что препятствует растрескиванию и отслоению упрочнённой зоны.

Режимы лазерной закалки импульсным излучением сталей на небольшую глубину чаще проводятся без оплавления поверхностного слоя и с оплавлением при значительной глубине упрочнённого слоя.

 

  Термическая обработка плазмой(Плазменная закалка-ПЗ)

Для повышения износостойкости инструмента используется плазменная термическая обработка. Сущность ПЗ состоит в высокоскоростном нагреве потоком плазмы поверхностного слоя металла и быстром его охлаждении в результате передачи тепла в глубинные слои материала детали. После плазменной закалки с оплавлением или без оплавления) инструмент имеет упрочнённый поверхностный слой толщиной до ~ 2мм (табл.20.4).В результате плазменной закалки повышаются эксплуатационные свойства инструмента за счёт изменения структуры (увеличения дисперсности) и фазового состава сплавов, возрастания твёрдости и получения на поверхности остаточных сжимающих напряжений. В качестве плазмообразующего газа используется аргон или его смеси с азотом, а также возду Средняя ширина закалённой зоны колеблется от 6 до 12мм. Плазменной закалке могут быть подвергнуты многие материалы, в том числе конструкционные и инструментальные стали, твёрдые сплавы, стали после ХТО.

Свойства стали Р6М5 после плазменной термической обработки (удельная тепловая мощность плазмотрона 1,14×10⁵Вт/см², скорость перемещения 25-35 м/ч) приведены в табл. 20.4.

  Т а б л и ц а.20.4

Cвойства стали Р6М5 после обработки высококонцентрированной плазменной струёй

Режим объёмной термической обработки	Плазменная обработка	Режим отпуска	HV	Кp58^оС	КСV	аз	К^d1c** Н/мм
					Дж/см²
Закалка от 1220^оС в масле	Обработка плазменной струёй: полная тепловая мощность струи 32 кВт, 3 цикла	550^оС, 3р. по1ч. охл., на воздухе	1070-1085	685	16	13	282
			820-845*	615	10	7	179
	-
Примечания: 1.*свойства стали Р6М5 после объёмной закалки. 2.Кp58 - критерий динамической вязкости разрушения.

 

Толщина упрочнённого слоя зависит от числа циклов: 1 цикл- 2,5мм; 3 цикла-2,9мм; 6 циклов -3,2мм. Оптимальное число циклов -3 (критерием является твердость и толщина упрочнённого слоя). Очередной цикл проводится после полного охлаждения материала.

Плазменная закалка повышает твёрдость поверхностного слоя, красностойкость, вязкость, в том числе и параметр динамической вязкости разрушения.

На свойства поверхностно-упрочнённого слоя влияют исходные свойства сплавов.Влияние режимов объёмной закалки на свойства сталей 90ХФ и Р6М5, подвергнутых дополнительно плазменной закалке (удельная тепловая мощность плазменной струи 1,2×10⁵ Вт/см²; скорость обработки -5,6×10^-3м/с) приведены в табл.20.5

 

 

 

 

 Т а б л и ц а  20.5.

Свойства сталей 90ХФ и Р6М5 при различных температурах нагрева

при закалке[

Сталь	Механические свойства	Температура объёмной закалки, ^оС
		800	850	900
90ХФ	HRC	46/65	58/68	59/69
	σв,МПа	600/400	870/650	800/600
	φ,%	2,5/3,9	2,3/3,5	2,1/3,4
Р6М5		1170^оС	1220^оС	1270^оС
	HRC	62/67	64/68	65/66,5
	σв,МПа	1500/2000	1500/3050	1100/2000
	φ,%	2,2/1,9	2/1,8	1,8/1,5
	σв,МПа*	2500	2400	2300
* - свойства приведены после объёмной закалки, плазменной обработки и трёхкратного объёмного отпуска. Примечание: в числителе приведены свойства после объёмной закалки и отпуска, в знаменателе – после дополнительной плазменной обработки (для оценки свойств поверхностного слоя проводились испытания микрообразцов, вырезанных из упрочненного слоя массивной заготовки.)

 

Плазменная обработка, осуществляемая после предварительной объёмной закалки стали, повышает её механические и эксплуатационные свойства, красностойкость. Наиболее высокие значения прочности и твёрдости достигаются после объёмной закалки с оптимальных температур. Дополнительная плазменная обработка повышает свойства стали и в том случае, если закалка проводилась с повышенных температур.

20.1.2. Лазерная и плазменная химико- термическая обработка