Значение на повърхностното закаляване за високоскоростната-стомана
Високо{0}}бързорежещата стомана (HSS) се използва широко в производството на режещи инструменти, матрици и машинни компоненти поради отличната си червена твърдост, издръжливост и устойчивост на износване. Въпреки това, при екстремни условия на работа-като високо-скоростно рязане, повтарящ се удар и триене-повърхността на HSS компонентите е податлива на износване, окисляване и повреда от умора, което ограничава експлоатационния им живот. Лазерното втвърдяване, като прецизна технология за термична обработка на повърхността, се очертава като ефективен начин за подобряване на повърхностните характеристики на HSS. Чрез локално нагряване на HSS повърхността до температурата на аустенизиране с фокусиран лазерен лъч и разчитайки на бързата топлопроводимост на субстрата за само-закаляване, тя образува мартензитен слой с висока-твърдост, без значително да повлиява на обемните механични свойства. Изследването на ефекта от лазерното втвърдяване върху повърхностните свойства на HSS е от решаващо значение за оптимизиране на процеса, подобряване на надеждността на компонентите и разширяване на обхвата на приложение на HSS в индустрии с високо -търсене.
Влияние върху твърдостта на повърхността и устойчивостта на износване
Лазерното закаляване значително подобрява твърдостта на повърхността и устойчивостта на износване на бързорежещата стомана-. При оптимални параметри на процеса (мощност на лазера 1–5 kW, скорост на сканиране 1–5 m/min), повърхностната твърдост на HSS (напр. W6Mo5Cr4V2) може да достигне 65–70 HRC, което е с 10–15% по-високо от това при традиционната термична обработка. Това се дължи на образуването на фино{17}}зърнест мартензит и задържането на свръхнаситен въглерод в мартензитната решетка по време на бързо лазерно нагряване и закаляване. Плътната мартензитна структура намалява пластичната деформация на повърхността при триене, докато твърдите карбиди (напр. MC, M6C), утаени по време на темперирането, допълнително повишават устойчивостта на износване. Тестовете за износване показват, че лазерно{23}}закалените HSS режещи инструменти имат експлоатационен живот 2–3 пъти по-дълъг от незакалените, като механизмът на износване се променя от адхезивно износване към леко абразивно износване, което ефективно намалява загубата на материал по време на работа.
Ефект върху повърхностната микроструктура
The surface microstructure of high-speed steel undergoes significant transformation after laser hardening. Before hardening, HSS typically consists of pearlite, ferrite, and coarse carbides. During laser hardening, the rapid heating (heating rate up to 104–105 °C/s) causes the pearlite and ferrite to quickly transform into austenite, while the coarse carbides partially dissolve into the austenite. The subsequent rapid quenching (cooling rate >103 градуса /s) инхибира дифузията на въглеродни атоми, което води до образуването на фин игловиден мартензит вместо грубия мартензит, образуван при традиционната топлинна обработка. В допълнение, неразтворените фини карбиди са равномерно разпределени в мартензитната матрица, действайки като "подсилващи фази", за да възпрепятстват движението на дислокациите. Термично{3}}засегнатата зона (HAZ) на лазерно-закаления HSS е тясна (само 0,5–2 mm) и микроструктурата преминава плавно от закаления слой към основния материал, като се избягват структурни дефекти като пукнатини и се гарантира целостта на компонента.
Ефект върху остатъчното напрежение на повърхността и характеристиките на умора
Лазерното закаляване въвежда остатъчно напрежение при натиск върху повърхността на високоскоростна стомана, което е от полза за подобряване на характеристиките на умора. Бързото нагряване и охлаждане по време на процеса причинява разлики в термичното разширение и свиване между повърхностния слой и субстрата: повърхностният слой се разширява при нагряване и е ограничен от студения субстрат, генерирайки напрежение на натиск след охлаждане. Големината на повърхностното остатъчно напрежение при натиск може да достигне -300 до -600 MPa, което компенсира напрежението на опън, генерирано по време на експлоатация, намалявайки започването и разпространението на пукнатини от умора. Тестовете за умора показват, че лазерно закалените HSS компоненти имат граница на умора, увеличена с 20–30% в сравнение с незакалените. Въпреки това, неправилните параметри на процеса (напр. прекомерна мощност на лазера, твърде ниска скорост на сканиране) могат да доведат до прекомерно термично напрежение, водещо до остатъчно напрежение при опън или дори повърхностни пукнатини, които влияят отрицателно върху характеристиките на умора. По този начин оптимизирането на процеса е от решаващо значение за осигуряване на благоприятно разпределение на остатъчното напрежение.
Заключение: цялостна оценка и бъдещи перспективи
Лазерното закаляване има положителен и значителен ефект върху свойствата на повърхността на високо{0}}скоростната стомана, цялостно подобрявайки твърдостта на повърхността, устойчивостта на износване и умората чрез регулиране на микроструктурата на повърхността и въвеждане на остатъчно напрежение при натиск. Той преодолява ограниченията на традиционната топлинна обработка (напр. голяма HAZ, неравномерна твърдост) и осигурява прецизен, ефективен начин за подобряване на експлоатационните характеристики на HSS компонентите. Бъдещите изследвания трябва да се съсредоточат върху оптимизиране на параметрите на процеса на лазерно втвърдяване за различни видове HSS (напр. прахова металургия HSS) и комбиниране на лазерно втвърдяване с други технологии за модифициране на повърхността (напр. PVD покритие, азотиране) за постигане на синергично подобряване на повърхностните свойства. С разработването на интелигентни лазерни системи, мониторингът-в реално време и адаптивният контрол на процеса на втвърдяване допълнително ще подобрят стабилността на подобряването на свойствата на повърхността, насърчавайки по-широкото приложение на лазерно{11}}затвърдения HSS в-производствените области от висок клас.
