УДК 621.9.048.6:621.794

Наклеп износостойкой стали 110Г13Л объемным импульсным лазерным упрочнением

Пинахин И. А., Черниговский В. А., Ягмуров М. А.

Северо-Кавказский федеральный университет

(г. Ставрополь, Россия)

В настоящее время известно большое количество методов упрочнения материалов, большинство из которых носят поверхностный характер упрочнения. К таким методам относятся: нанесение покрытий, дробеструйная обработка, лазерная поверхностная обработка с использованием лазеров непрерывного или импульсного действия и др. Магнитно-импульсное упрочнение и термическая обработка позволяют улучшать физико-механические свойства материалов по объему, но данные методы являются энергоемкими и трудоемкими. Кроме того, следует отметить, что некоторые методы могут упрочнять не все материалы.

Землеройные и землеройно-транспортные машины, работоспособность которых в значительной степени зависит от объемной прочности и абразивной износостойкости материала их рабочих органов применяются в различных сферах деятельности. Около 15% времени работы землеройных и землеройно-транспортных машин расходуется на замену их ножей, зубьев ковшей и т. п. Для повышения величины технического ресурса режущие кромки рабочих органов землеройных машин изготавливают из высокопрочных и износостойких материалов, в том числе зарубежного производства, стоимость которых в 5 раз выше отечественных аналогов (при этом отечественные стали уступают по прочности и износостойкости и требуют обязательного упрочнения).

Из вышесказанного следует, что целесообразным является применение методов упрочнения, которые бы позволили улучшать физико-механические свойства износостойких материалов по объему при наименьших затратах времени и средств. К таким методам относится предлагаемый нами метод объемного импульсного лазерного упрочнения (ОИЛУ) режущих инструментов, разработанный на кафедре «Технология машиностроения и технологическое оборудование» Северо-Кавказского федерального университета.

Объемное импульсное лазерное упрочнение осуществляется путем локального однократного облучения лучом неодимового лазера импульсного действия ГОС 1001 при следующих режимах: энергия импульса 200 – 400 Дж, длительность импульса 0,8·10^-3 с, диаметр луча лазера 1,4 – 2,5 мм. В результате воздействия импульса лазера материал нагревается до температуры 40·10³ – 60·10³ К (происходит переход в состояние плазмы), что приводит к испарению материала (20 – 70 мг в зависимости от режимов облучения) и образованию ударной волны (рисунок 1). Возникновение и прохождение ударной волны в материале было подтверждено результатами тензометрии и рентгеноструктурного анализа [1].

Рисунок 1 – Схема процессов, развивающихся в материале при ОИЛУ

Для обоснования исследований влияния ОИЛУ на износостойкие стали, в первую очередь была поставлена задача изучения воздействия упрочнения на их фазовые составляющие. В качестве материала для испытываемых образцов было выбрана износостойкая аустенитная сталь 110Г13Л ГОСТ 977-88 (сталь Гатфильда), из слитка которой были вырезаны цилиндрические образцы размером 10×20 миллиметров. После этого образцы прошли закалку при 1100⁰С с охлаждением в воде и средним отпуском 400⁰С.

Облучение образцов проводилось на лазере ГОС 1001 при следующих рабочих режимах: длина волны 1,064·10^-6 м, продолжительность импульса 0,8·10^-3 с, диаметр луча лазера 1,2·10^-3 – 2,5·10^-3 м, полезная энергия облучения 100 – 300 Дж (плотность мощности облучения 10¹⁰ – 1,3·10¹¹ Вт/м²) (риунок 2).

Рисунок 2 – Схема ОИЛУ образцов для проведения рентгеноструктурного анализа

После облучения проводился рентгеноструктурный анализ образцов на рентгеновском дифрактометре «ARL Xtra». Результаты позволили выявить экстремум изменения структуры образцов, который соответствует диаметру луча лазера d = 1,4·10^-3 м, полезной энергии облучения Е = 200 Дж (плотность мощности облучения 9,8·10¹⁰ Вт/м²). На рисунке 3 показано изменение ширины рентгеновских дифракционных линий аустенитной фазы стали 110Г13Л [2].

Рисунок 3 – Изменение ширины линий аустенитной фазы стали 110Г13Л в зависимости от расстояния от места облучения при разных режимах ОИЛУ: 1 – исходные образцы; 2 – Е = 200 Дж, d = 1,4·10^-3 м; 3 – Е = 150 Дж, d = 1,4·10^-3 м; 4 – Е = 250 Дж, d = 1,4·10^-3 м

Как видно из рисунка 3 наблюдается уширение рентгеновских дифракционных линий аустенитной фазы стали 110Г13Л. Как известно, сталь Гатфильда обладает повышенной способностью к наклепу, что проявляется в большем изменении наноструктуры при одинаковой степени деформации по сравнению с другими аустенитными сталями. Нами было установлено, что в результате ОИЛУ для стали 110Г13Л происходит уменьшение размеров блоков мозаики в 1,04 – 1,26 раза, увеличение плотности дислокаций в 1,05 – 1,22 раза, повышение степени микроискажений кристаллической решетки в 1,04 – 1,28 раза. Т. е. налицо все признаки повышения степени дефектности материала или наклепа.

Таким образом, на основании вышесказанного можно сделать предварительный вывод об упрочнении износостойкой стали 110Г13Л объемным импульсным лазерным упрочнением.

Литература:

1. Pinahin I. A., Toeskin S. A., Yagmurov M. A., Salmanova D. A. Influence of by volume impulsive laser work-hardening on durability of carboloies // 3rd International Scientific and Practical Conference «Science and Society» – SCIEURO, London, 2013. – №1. – С. 50-58.

2. Пинахин И. А., Ягмуров М. А., Пинахин А. И. Повышение физико-механических свойств конструкционных сталей методом объемного импульсного лазерного упрочнения // Машиностроение и безопасность жизнедеятельности. – Муром, 2012.– №4. – С. 58-62.