CC BY
138
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №10/2015 ISSN 2410-700Х_
УДК 621.789
Барабонова Инна Александровна
канд. техн. наук, старший преподаватель каф. «Технология металлов и материаловедение» ТвГТУ, г.
Тверь, РФ E-mail: [email protected] Раткевич Герман Вячеславович аспирант каф. «Технология металлов и материаловедение» ТвГТУ, г. Тверь, РФ
E-mail: [email protected] Афанасьева Людмила Евгеньевна канд. физ.-мат. наук, доцент каф. «Технология металлов и материаловедение» ТвГТУ, г. Тверь, РФ
E-mail: [email protected]
УПРОЧНЕНИЕ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ С ПОМОЩЬЮ ЛАЗЕРНОЙ ЗАКАЛКИ И
ЛАЗЕРНОГО ОТПУСКА
Аннотация
В статье представлены результаты исследований по возможности упрочнения быстрорежущей стали марки Р6М5 с помощью лазерной закалки с оплавлением поверхности и лазерного отпуска. Лазерную обработку стали выполняли на автоматизированном лазерном комплексе АЛТКУ - 3 с многоканальным СО2 лазером.
Ключевые слова
лазерная закалка, лазерный отпуск, быстрорежущая сталь
Повышение стойкости металлорежущего инструмента, изготовленного из быстрорежущих сталей ледебуритного класса возможно с применением лазерной обработки [1, 2, 3]. При лазерном термоупрочнении предварительно закаленных и отпущенных сталей между зонами закалки и основным металлом образуется переходная зона, в которой возможно снижение твердости из-за процессов распада мартенсита. Объёмный высокотемпературный отпуск после лазерной закалки нежелателен, так как он может привести к дальнейшему разупрочнению переходной зоны.
В настоящей работе предлагается после лазерной закалки выполнение лазерного отпуска, который обеспечит локальный нагрев поверхностных слоев стали на требуемую глубину.
Образцы стали марки Р6М5 после объемной закалки и трехкратного отпуска при температуре 560 оС обрабатывались непрерывным лазерным излучением на автоматизированном лазерном комплексе АЛТКУ - 3 [3]. Комплекс состоит из специально разработанного многоканального СО2-лазера (40 лучей) с мощностью выходного излучения 3 кВт, технологического поста с пятью координатами манипулирования лучом и двумя координатами манипулирования обрабатываемой деталью. После лазерной закалки с оплавлением поверхности выполняли лазерный отпуск.
Микроструктуру стали в зоне лазерного воздействия исследовали методами растровой электронной микроскопии на универсальном микроскопе JEOL 6610LV (Япония). Фазовый состав стали определяли методом рентгеноструктурного анализа на дифрактометре Bruker D8 Advance (Германия). Микротвердость измеряли на отечественном микротвердомере ПМТ-3 согласно ГОСТ Р 8.748-2011(ИСО 14577-1:2002).
По данным [1] при скоростном отпуске закаленной стали происходят те же фазовые и структурные превращения, что и при медленном нагреве в печи. Так как лазерное воздействие кратковременно, отпуск можно проводить при температуре нагрева вплоть до точки АС1.
Параметры тепловых полей при лазерной обработке можно определять по аналитическим выражениям, которые представляют собой решения дифференциальных уравнений теплопроводности в линейной подстановке [1, 2]. Это значит, что коэффициенты теплофизических свойств считают не зависящими от температуры.
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №10/2015 ISSN 2410-700Х_
В монографии [2] представлены результаты экспериментальной проверки расчетной модели термоупрочнения железоуглеродистых сплавов с помощью СО2-лазеров непрерывного действия. Результаты расчета глубины закаленной зоны для стали и чугуна хорошо согласуются с экспериментальными значениями. Отклонение не превышает 15%. По аналогии с лазерной закалкой без оплавления поверхности, в настоящей работе использовались те же аналитические выражения для расчета максимально достижимой глубины лазерного отпуска z на оси пучка лазерного излучения:
С
Z =
4at
V я
T - T
^ max ^ min
T
^ max
а - температуропроводность обрабатываемого материала, м2/с;
t - время действия источника тепла;
Tmax и Tmm - максимальная и минимальная температуры нагрева на требуемой глубине.
Tmm = 540оС, по данным [4] это нижняя граница рекомендуемых температур для предварительно закаленной стали Р6М5, при которой происходят процессы дисперсионного твердения. Значение температуры Tmax ограничивали точкой Ас1. Tmax = 815 оС.
В таблице представлены результаты расчета максимально достижимой глубины отпуска z. Радиус пятна лазерного излучения на обрабатываемой поверхности r = 0,002...0,006 м, скорость сканирования луча v = 0,01.0,03 м/с.
Таблица
Расчетные значения максимально достижимой глубины отпуска z, мкм.
Радиус пятна, м Скорость сканирования, м/c
0,01 0,015 0,02 0,025 0,03
0,002 565 462 400 358 327
0,003 693(720)* 565(600)* 490(500)* 438 400
0,004 800 653 565 506 462
0,005 894 730 632 565 516
0,006 979 800 693 619 565
* - в скобках даны результаты эксперимента
Анализ полученных данных показал, что выполнение лазерного отпуска на требуемую глубину возможно на различных режимах. Выбор нужных режимов лазерной обработки необходимо осуществлять в соответствии с технологическими возможностями используемых лазерных комплексов. Результаты проверок показали хорошее соответствие расчетных и экспериментальных значений z. С помощью приведенного выше выражения с погрешностью 10-15% можно достаточно просто оценить глубину лазерного отпуска для закалённой быстрорежущей стали. Заключение
Применение для быстрорежущей стали лазерной закалки с оплавлением поверхности обеспечивает в оплавленной зоне растворение крупных карбидов, и получение структуры высоколегированных твердых растворов мартенсита и аустенита. Последующим лазерным отпуском устраняется остаточный аустенит, и протекают процессы дисперсионного твердения. Список использованной литературы:
1. Григорьянц А.Г. и др. Технологические процессы лазерной обработки / под ред. А.Г. Григорьянц, М.: Изд-во МГТУ им Н.Э. Баумана, 2008. 408 с.
2. Лазерные технологии обработки материалов: современные проблемы фундаментальных исследований и прикладных разработок. Под ред. В.Я. Панченко. М.:Физматлит, 2009, 664 с.
3. Афанасьева Л.Е., Барабонова И.А., Ботянов Е.В., Раткевич Г.В., Гречишкин Р.М. Структурные фазовые превращения в быстрорежущей стали при лазерной закалке с оплавлением поверхности многоканальным СО2 лазером // Упрочняющие технологии и покрытия. 2013. № 8 (104). С. 10-13.
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ»
ISSN 2410-700Х
№10/2015
4. Геллер А.Ю. Инструментальные стали. М.: Металлургия, 1983. - 527 с.
© И.А. Барабонова, Г.В. Раткевич, Л.Е. Афанасьева, 2015
УДК 621.789
Барчуков Дмитрий Анатольевич
канд. техн. наук, зав. каф. «Технология металлов и материаловедение»
ТвГТУ, г. Тверь, РФ E-mail: [email protected] Раткевич Герман Вячеславович аспирант каф. «Технология металлов и материаловедение» ТвГТУ, г. Тверь, РФ
E-mail: [email protected] Афанасьева Людмила Евгеньевна канд. физ.-мат. наук, доцент каф. «Технология металлов и материаловедение» ТвГТУ, г. Тверь, РФ
E-mail: [email protected]
СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ РАЗДЕЛИТЕЛЬНОГО ШТАМПА
Аннотация
В статье описан способ упрочнения разделительного штампа, включающий лазерную закалку, обработку холодом и лазерный отпуск на режимах, которые способствуют совершенствованию структурного состояния материала рабочих частей штампа.
Ключевые слова
лазерная закалка, обработка холодом, лазерный отпуск, разделительный штамп, быстрорежущая сталь
При лазерной закалке рабочих частей разделительного штампа, образуется зона лазерного воздействия, состоящая из зоны оплавления, зоны закалки из твердой фазы и переходной зоны [1, с. 259]. В зонах закалки из жидкой и твердой фазы структура закаленной стали далека от оптимальной, когда достигается максимальная твердость, эксплуатационная стойкость, тепло- и износостойкость. Так, в зоне закалки образуется повышенное количество остаточного аустенита - структурной составляющей, очень устойчивой в высоколегированных инструментальных сталях и недопустимой в структуре инструментальной стали, работающей при высоких эксплуатационных нагрузках.
Известно, что основное упрочнение высоколегированные инструментальные стали получают при дисперсионном твердении мартенсита при отпуске. Для этого после закалки сталь подвергают многократному высокотемпературному отпуску [2, с. 318]. Применение классического отпуска для закаленной лазером стали не эффективно, поскольку он вызывает разупрочнение стали в переходной зоне, которая предварительно уже получила разупрочнение в процессе лазерной закалки при нагреве до температур близких к критической температуре АС1, при которой в стали начинает формироваться аустенит. Повторный нагрев при выполнении отпуска в печи вызывает дополнительное разупрочнение мартенсита в переходной зоне в результате выделения углерода из твердого раствора с образованием и коагуляцией карбидов.
Цель настоящей работы - разработать способ упрочнения разделительного штампа, позволяющий получить оптимальное структурное состояние высоколегированной стали, т.е. достижение двухфазной структуры (мартенсит и карбиды) и протекание процессов дисперсионного твердения мартенсита в зоне закалки при выполнении лазерного отпуска.
Заготовки пуансонов и матриц из быстрорежущей стали марки Р6М5 (ГОСТ 19265 -73) после объемной закалки и трехкратного отпуска при температуре 560 оС подвергали закалке с оплавлением
