Режимы лазерного упрочнения дереворежущего инструмента из легированных сталей

УДК

DOI:

Аннотация

Одним из наиболее перспективных направлений повышения износостойкости и прочности дереворежущего инструмента является закалка рабочих поверхностей лучом лазера. В статье приведены результаты экспериментальных исследований процесса лазерного упрочнения легированных инструментальных сталей, широко используемых для изготовления фрезерного дереворежущего инструмента. Известно, что предварительная объемная термообработка образцов из инструментальной стали оказывает существенное влияние на показатели качества поверхностного слоя (остаточные напряжения, глубина упрочнения, микротвердость поверхности) при последующем лазерном упрочнении. Эксперименты проведены на установке импульсного лазерного термоупрочнения «Квант-18» с длиной импульса 8 мс на образцах сталей 9ХС и ХВГ. Остаточные напряжения упрочненной зоны и остаточный аустенит определяли с по- мощью установки Rigaku FSM-2M, микротвердость измеряли на микрошлифах твердомером ПМТ-3. Первая серия экспериментов по лазерному упрочнению проведена на незакаленных образцах. Установлено, что после лазерного воздействия на структурно неоднородный образец возникают неблагоприятные растягивающие поверхностные напряжения, микротвердость при этом изменяется незначительно. Во второй серии экспериментов образцы подвергали объемной термообработке. Сделан вывод о том, что для качественного лазерного упрочнения после объемной термообработки необходимо проводить низкий отпуск. С ростом температуры отпуска происходит снижение остаточного аустенита в поверхностном слое упрочняемой детали, что уменьшает величину упрочненного слоя и микротвердость поверхности. Рост температуры предварительной закалки положительно сказывается на показателях качества упрочненного слоя, но при этом существенно снижается обрабатываемость резанием инструментальных сталей, что может негативно отразить на операциях механической обработки рабочих и базирующих поверхностей инструмента (включая шлифование), предшествующих операции лазерного упрочнения.

Сведения об авторах

Л.В. Кремлева, д-р. техн. наук, доц. 

В.И. Малыгин, д-р. техн. наук, проф. 

К.К. Снегирева, асп.

Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова – филиал в г. Северодвинске, ул. Капитана Воронина, д. 6, г. Северодвинск, Россия, 164500; e-mail: kremleva67@mail.ru

Ключевые слова

Литература

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Зотов Г.А, Памфилов Е.А. Повышение стойкости дереворежущего инструмента. М.: Экология, 1991. 295 с.

2. Бирюков В. Изменение структуры и свойств сталей при лазерном упрочении // Фотоника. 2012. № 3. С. 22–27.

3. Бровер А.В., Бровер Г.И., Дьяченко Л.Д. Некоторые особенности структурного состояния сталей в зонах лазерной обработки // Черная металлургия. 2007. № 6. С. 36–45. (Изв. высш. учеб. заведений).

4. Григорьянц А.Г., Щиганов И.Н., Мисюров А.И. Технические процессы лазерной обработки. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. 664 с.

5. Гуреев Д.М., Камашев А.В., Ямщиков С.В. Механизмы фазовых превращений в железе и сталях при лазерном нагреве. Самара: Самарский университет, 1999. 164 с.

6. Моисеев А.В. Износостойкость  дереворежущего  инструмента.  М.: Лесн. пром-сть, 1981. 111 с.

7. Попов В.С. Лазерное упрочнение сталей: сравнение волоконных и СО2-лазеров // Фотоника. 2009. № 4. С. 18–21.

8. Пронин М.М., Старцев В.Н., Попов В.О., Вайнерман А.Е., Калганов Б.Д. Ла- зерная обработка материалов. Перспективные технологии и оборудование // Вопр. материаловедения. 1999. № 3. С. 375–93.

9. Синяков К.А. Влияние скорости нагрева на структуру и свойства инструментальных сталей // Инструмент и технологии. 2008. № 5. С. 151–158.

10. Ситкина Л.П., Яресько С.И. Эффективность технологии лазерной упрочняющей обработки в инструментальном производстве // Изв. ВолгГТУ. 2013. Т. 9, № 7. С. 40–43.

11. Сомонов В.В., Цибульский И.А. Эффективность использования волоконных лазеров для лазерной закалки изделий в промышленности // Металлообраб. 2014. № 1. С. 9–12.

12. Яресько С.И., Горяинов Д.С. Моделирование процесса лазерного упрочнения режущего инструмента // Изв. Самар. НЦ РАН. 2011. Т. 13, № 4-3. С. 921–926.

13. Adel K.M., Dhia A.S., Ghazali M.J. The effect of laser surface hardening on the wear and friction characteristics of acicular bainitic ductile iron // International J. of Me- chanical and Materials Engineering. 2009. Vol. 4, N 2. P. 167–171.

14. El-Batahgy A.M., Ramadan A.R., Moussa A.R. Laser Surface Hardening of Tool Steels – Experimental and Numerical Analysis // J. of Surface Engineered Materials and Advanced Technology. 2013. N 3. P. 146–153.

15. Lee J.-H., Jang J.-H., Joo B.-D., Son Y.-M., Moon Y. H. Laser surface hardening of AISI H13 tool steel // Transactions of Nonferrous Metals Society of China (English Edi- tion). 2009. Vol. 19, N 4. P. 917–920.

Ссылка на английскую версию:

UDC 621.983.32:621.78-977

DOI: 10.17238/issn0536-1036.2016.5.157

The Modes of Laser Hardening of Alloyed Steel Wood-Cutting Tools

L.V. Kremleva, Doctor of Engineering Sciences, Associate Professor

V.I. Malygin, Doctor of Engineering Sciences, Professor

K.K. Snegireva, Postgraduate Student

Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov, Captain Voronin str., 6, Severodvinsk, Arkhangelsk region, 164500, Russian Federation;

e-mail: kremleva67@mail.ru

One of the most promising directions of increasing the wear resistance and durability of wood-cutting tools is a hardening of working surfaces by a laser beam. The article presents the results of experimental studies of the process of laser hardening of alloyed tool steels, widely used for the manufacture of milling wood-cutting tools. The preliminary volume heat treatment of tool steel samples has a significant influence on the quality parameters of the surface layer (residual stresses, hardening depth, surface micro-hardness) in the subsequent laser hardening. The experiments are carried out at the pulsed laser strengthening installa- tion «Kvant-18» with a pulse length of 8 ms on the samples of 9XS and CWM steels. Re- sidual stresses of the hardened zone and residual austenite are determined by Rigaku FSM-

2M, the microhardness is measured on the micro-sections by a hardness tester PMT-3. The first series of experiments in laser hardening are carried out on unquenched samples. The laser effect on the structurally nonhomogeneous sample leads to adverse tensile surface stresses, microhardness changes slightly. In the second series of experiments the samples are subjected to volume heat treatment. For the quality of laser hardening after a volume heat treatment it is necessary to carry out low tempering. With increasing the tempering tempera- ture the residual austenite decreases in the surface layer of a hardenable part, which reduces the size of the hardened layer and the microhardness of the surface. The pre-quenching tem- perature rise has a positive effect on the quality parameters of the hardenable layer, but ma- chinability of tool steels significantly decreases that can adversely affect the machining op- erations of working and basing tools faces (including grinding) prior to the operation of la- ser hardening.

Keywords: wood-cutting tool, laser hardening, hardening, tempering, retained austenite, hardened layer depth, micro-hardness.

REFERENCES

1. Zotov G.A, Pamfilov E.A. Povyshenie stoykosti derevorezhushchego instrumenta

[Increasing of Wood-Cutting Tools Resistance]. Moscow, 1991. 295 p.

2. Biryukov V. Izmenenie struktury i svoystv staley pri lazernom uprochenii [Chang- es in the Structure and Properties of Steels at Laser Consolidation]. Fotonika [Photonics],

2012, no. 3, pp. 22–27.

3. Brover A.V., Brover G.I., D'yachenko L.D. Nekotorye osobennosti strukturnogo sostoyaniya staley v zonakh lazernoy obrabotki [Some Features of the Structural State of Steels in the Areas of  Laser Processing]. Chernaya metallurgiya [Ferrous Metallurgy],

2007, no. 6, pp. 36–45.

4. Grigor'yants A.G., Shchiganov I.N., Misyurov A.I. Tekhnicheskie protsessy laz- ernoy obrabotki [The Technological Processes of Laser Processing]. Moscow, 2006. 664 p.

5. Gureev D.M., Kamashev A.V., Yamshchikov S.V. Mekhanizmy fazovykh prev- rashcheniy v zheleze i stalyakh pri lazernom nagreve [The Mechanisms of Phase Transfor- mations in Iron and Steel by Laser Heating]. Samara, 1999. 164 p.

6. Moiseev A.V. Iznosostoykost' derevorezhushchego instrumenta [Wear Resistance

of Wood-Cutting Tools]. Moscow, 1981. 111 p.

7. Popov V.S. Lazernoe uprochnenie staley: sravnenie volokonnykh i СO2-lazerov

[Steels Laser Hardening: a Comparison of Fiber and CO2 Lasers]. Fotonika [Photonics],

2009, no. 4, pp. 18–21.

8. Pronin M.M., Startsev V.N., Popov V.O., Vaynerman A.E., Kalganov B.D. Laz- ernaya obrabotka materialov. Perspektivnye tekhnologii i oborudovanie [Laser Materials Processing. Advanced Technologies and Equipment]. Voprosy materialovedeniya, 1999, no.

3, pp. 375–393.

9. Sinyakov K.A. Vliyanie skorosti nagreva na strukturu i svoystva instrumental'nykh staley [Effect of Heating Rate on the Structure and Properties of Tool Steels]. Instrument i tekhnologii, 2008, no. 5, pp. 151–158.

10. Sitkina L.P., Yares'ko S.I. Effektivnost' tekhnologii lazernoy uprochnyayushchey obrabotki v instrumental'nom proizvodstve [The Effectiveness of Laser Hardening Treat- ment Technology in Tool Production]. Izvestia VSTU, 2013, vol. 9, no. 7, pp. 40–43.

11. Somonov V.V., Tsibul'skiy I.A. Effektivnost' ispol'zovaniya volokonnykh lazerov dlya lazernoy zakalki izdeliy v promyshlennosti [The Effectiveness of the Use of Fiber Lasers for Laser Hardening of Products in the Industry]. Metalloobrabotka, 2014, no. 1, pp. 9–12.

12. Yares'ko S.I., Goryainov D.S. Modelirovanie protsessa lazernogo uprochneniya

rezhushchego instrumenta [The Simulation of Laser Hardening of Cutting Tools]. Izvestiya  Samarskogo nauchnogo tsentra RAN [Proceedings of the Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences], 2011, vol. 13, no. 4–3, pp. 921–926.

13. Adel K.M., Dhia A.S., Ghazali M.J. The Effect of Laser Surface Hardening on the Wear and Friction Characteristics  of Acicular Bainitic Ductile Iron. International Journal of Mechanical and Materials Engineering, 2009, vol. 4, no. 2, pp. 167–171.

14. El-Batahgy A.M., Ramadan R.A., Moussa A.R. Laser Surface Hardening of Tool Steels – Experimental and Numerical Analysis. Journal of Surface Engineered Materials and Advanced Technology, 2013, no. 3, pp. 146–153.

15. Lee J.H., Jang J.H., Joo B.D., Son Y.M., Moon Y.H. Laser Surface Hardening of AISI H13 Tool Steel. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2009, vol. 19, no. 4, pp. 917–920.