Modification of the tool steel surface with B4C–Al powders under the influence of pulsed laser

封面

如何引用文章

全文:

详细

The relevance of laser modification of the surface of metal parts is shown; experimental data are presented on the effect of surface treatment of tool steel 3Kh2V8F with a pulsed ytterbium fiber laser with the addition of a paste of B4C and B4C–Al powders. It is shown that a functional layer 30–40 μm thick with microhardness of 1200–1400 HV and a surface roughness of the second class was obtained when processing the surface of the steel sample, on which a layer of paste 1–2 mm thick from F220 (B4C) powder was previously applied using glue, for 15 min with a laser at optimal operating mode settings. With a similar treatment, but with the addition of PA-4 (Al) powder to the powder F220 (B4C) in a ratio of 7:3, a functional layer 40–60 μm thick with a microhardness of 1100–1300 HV and a surface roughness of the seventh class was obtained. In the diffraction patterns of the modified surfaces of the samples, a more preferable Fe2B phase was detected; the FeB phase, which leads to a sharp embrittlement of the functional layer, was not identified.

全文:

ВВЕДЕНИЕ

На сегодняшний день самый распространенный способ улучшения эксплуатационных свойств металлических деталей — поверхностное упрочнение, когда на поверхности изделия формируется тонкий функциональный слой из более твердого, чем основа, материала. В связи с появлением сканаторов — устройств программируемого управления скоростью лазерного луча — одними из наиболее перспективных способов получения функциональных слоев на поверхности металлов стали лазерная наплавка, лазерная микрообработка, лазерное легирование, лазерная сварка [1, 2]. Для этих способов характерна высокая скорость обработки, ее точность и качество, при этом экономится легирующий материал, а последующая механическая обработка поверхности минимальна [2]. Данные способы широко применяют в радиоэлектронике, в автомобильной и аэрокосмической индустрии для обработки промышленных материалов (стали, алюминия и титана) [3–5], а также для производства медицинских микроразмерных устройств [6]. В качестве легирующих добавок часто используют соединения, обладающие высокой твердостью, такие как нитрид титана, карбиды титана, вольфрама, бора, хрома [2, 6–8]. Недостатком лазерного упрочения является образование трещин на поверхности после обработки или в процессе дальнейшей эксплуатации из-за растягивающих остаточных напряжений [9–11].

Ранее авторами были опубликованы прикладные решения по легированию поверхности инструментальной стали 3Х2В8Ф порошками B4C и B4C–Al с помощью иттербиевого наносекундного импульсного волоконного лазера, позволившие повысить микротвердость и износостойкость поверхностного слоя при подборе оптимального режима работы импульсного лазера [12–15].

В настоящей работе исследованы микроструктура, микротвердость и шероховатость поверхностных слоев инструментальной стали 3Х2В8Ф, полученных с помощью лазерного упрочнения при легировании порошками B4C–Al.

МЕТОДИКА

В исследовании использовали прямоугольные образцы c размерами 18 × 18 × 10 мм из инструментальной стали 3Х2В8Ф. Эта сталь применяется для изготовления тяжело нагруженных прессовых инструментов (мелких вставок окончательного штампового ручья, матриц и пуансонов для выдавливания) при горячем деформировании легированных конструкционных сталей и жаропрочных сплавов, пресс-формы литья под давлением медных сплавов [16]. Для легирования стали использовали порошок карбида бора F220 (ГОСТ Р 52381-2005, не менее 95% B4C, основная фракция 75–63 мкм [17]) и порошок алюминия ПА-4 (ГОСТ 6058-2022, не менее 98 % Al, основная фракция — более 85% частиц размером до 100 мкм [18]). Обработку проводили наносекундным импульсным иттербиевым волоконным лазером YLP-V2-1-100-100-100 (IPG Photonics, Россия). Лазеры этого типа применяют для гравировки, маркировки, микрообработки, прецизионной поверхностной обработки [13].

Микротвердость определяли методом Виккерса с помощью микротвердомера ПМТ-3М (ЛОМО, Россия) и рассчитывали по восстановленному отпечатку (ГОСТ 9450-76 [19]) с использованием программного комплекса Nexsys Image Expert MicroHandness 2.

Шероховатость поверхности измеряли на стилусном профилометре Dektar XT (Bruker AXS, Германия) и на профилометре модели 130 (“ПРОТОН”, Россия).

Для определения микроструктуры, элементного и фазового состава поверхностного слоя применяли методы оптической микроскопии, растровой электронной микроскопии (РЭМ), энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии и рентгенофазового анализа. Для этих целей использовали оптический микроскоп Olympus BX43 (Olympus Corp., Япония); металлографический микроскоп ЛОМО МЕТАМ РВ-21 (ЛОМО, Россия), рентгеновский дифрактометр Bruker D2 Phaser (Bruker AXS, Германия), настольный растровый электронный микроскоп JEOL JCM-6000 (JEOL, Япония).

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Оптимальный режим обработки подбирали по следующим параметрам: выходная мощность 50–100 Вт, диапазон частот импульсов 50–90 кГц, расстояние от линзы до поверхности образца 180–220 мм, скорость прохождения лазерного луча по образцу 50–2000 мм/с, количество последовательных повторов обработки одной поверхности от пяти до 100. После подбора оптимального режима для получения удовлетворительных результатов при минимальной затрате времени были установлены следующие параметры: 100 Вт, 75 кГц, 197 мм, 200 мм/с, десять повторов соответственно, а общее время обработки лазером составило 15 мин.

Обработке лазером в подобранных режимах были подвергнуты два образца, на которые с помощью клея БФ-6 был нанесен тонким слоем (1–2 мм) порошок, на образец № 1 — F220 (B4C), а на образец № 2 — предварительно смешанный порошок 70 мас. % F220 (B4C) и 30 мас. % ПА-4 (Al).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В ходе обработки были получены образцы с блестящей поверхностью (рис. 1). Они были распилены по центру пополам, после чего были подготовлены поперечные шлифы и изучены под микроскопом. Средняя толщина полученного на образце № 1 слоя составила 35.6 мкм (рис. 2а, б). Средняя толщина слоя на образце № 2 составила 46.6 мкм (рис. 2в, г).

 

Рис. 1. Поверхность образцов: № 1, обработанного порошком B4C марки F220 (а); № 2, обработанного смесью из порошков B4C марки F220 (70 мас. %) и Al марки ПА-4 (30 мас. %) (б).

 

Рис. 2. РЭМ-изображения образцов № 1 (B4C) (а, б) и № 2 (B4C + Al) (в, г) при увеличении ×300 (а, в) и ×500 (б, г).

 

Показатель микротвердости по Виккерсу

Для расчета микротвердости образца № 1 проведено шесть измерений наплавленной поверхности вертикально вниз к базовой стали с шагом 25–35 мкм, средняя микротвердость стали составила 277 ± 35 HV. Для определения микротвердости функционального слоя проведено шесть измерений с шагом по горизонтали 20–30 мкм и по вертикали 3–7 мкм, средняя микротвердость наплавленного слоя составила 1326 ± 110 HV. Отдельно проведены три измерения на границе между слоями с шагом 25–35 мкм по горизонтали, среднее значение микротвердости на границе составило 791 ± 100 HV.

Для расчета микротвердости образца № 2 были проведены семь измерений от наплавленной поверхности вертикально вниз к базовой стали с шагом 25–35 мкм, средняя микротвердость стали составила 258 ± 35 HV. По результатам пяти измерений в наплавленном слое в шахматном порядке с шагом по горизонтали 20–30 мкм и по вертикали 5–10 мкм средняя микротвердость 1200 ± 110 HV. На границе между слоями в результате трех измерений среднее значение микротвердости составило 714 ± 100 HV.

По данным всех измерений образцов № 1 и № 2 построен график зависимости микротвердости от расстояния от поверхности (рис. 3). На графике в диапазоне 60–90 мкм шаг 30 мкм уменьшен до 5 мкм для удобства отображения.

 

Рис. 3. Зависимость показателя микротвердости образцов № 1 (B4C) и № 2 (B4C + Al) от расстояния от поверхности d.

 

Рентгенофазовый анализ

На дифрактограммах поверхности образцов № 1 (рис. 4) и № 2 (рис. 5) обнаружены пики боридов дижелеза (Fe2B), анализ не выявил рефлексов боридов моножелеза (FeB). Так как фаза FeB преимущественно выделяется в поверхностном слое наплавляемого материала и содержит большее количество бора по сравнению с Fe2B, а количество бора уменьшается по мере удаления от поверхности, вероятность обнаружения боридов моножелеза при их наличии на поверхности максимальна. Отсутствие фазы FeB указывает на то, что получена фаза Fe2B, которая более предпочтительна. FeB имеет более высокую твердость, но его появление приводит к резкому охрупчиванию функционального слоя, а на границе фаз FeB–Fe2B появляются многочисленные трещины из-за остаточных напряжений [20, 21]. В образце № 2 помимо борида дижелеза присутствует сплав AlCrFe. Образование кристаллического соединения AlCrFe позволяет утверждать, что в результате лазерного легирования произошла химико-термическая реакция с алюминием, что обеспечивает прочное внедрение алюминия в поверхность образца и увеличивает ее коррозионную стойкость. Можно предположить, что образование гладкой поверхности также связано с наличием AlCrFе.

 

Рис. 4. Дифрактограмма образца № 1 (B4C).

 

Рис. 5. Дифрактограмма образца № 2 (B4C + Al).

 

Профилометрия

Профилометрия была сделана на образцах до и после обработки, основные показатели шероховатости профиля представлены в табл. 1. Для анализа шероховатости согласно ГОСТу 2789-73 можно использовать наиболее репрезентативный показатель Ra — среднеарифметическое отклонение профиля [22, 23]. Шероховатость образца № 1 после обработки на порядок хуже, чем до обработки, а шероховатость образца № 2 после обработки улучшилась в 2.6 раз по сравнению с необработанной поверхностью. По сравнению с образцом № 1 разница в 26 раз, что также видно на 3D-профилограммах (рис. 6).

 

Таблица 1. Показатели шероховатости образцов до обработки и после лазерного легирования

Параметры*

Образец

До обработки

№ 1 (B4C)

№ 2 (B4C + Al)

Rv, мкм

9.5 ± 2.1

100 ± 13

2.9 ± 0.43

Rp, мкм

13.7 ± 2

102.4 ± 9.4

2.61 ± 0.15

Rmax, мкм

23.2 ± 3.6

202.1 ± 8.9

5.51 ± 0.58

Rz, мкм

9.2 ± 1.2

98 ± 14

2.47 ± 0.36

Sm, мкм

279 ± 38

1080 ± 180

610 ± 180

Ra, мкм

3.46 ± 0.73

34.2 ± 4.1

1.31 ± 0.15

Класс

5в

2б

7а

*Rv — глубина максимальной впадины профиля, Rp — высота максимального выступа профиля, Rmax — наибольшая высота профиля, Rz — высота неровностей профиля по десяти точкам, Ra — среднеарифметическое отклонение профиля, класс — класс шероховатости профиля.

 

Рис. 6. 3D-профилограммы образцов № 1 (B4C) (а) и № 2 (B4C + Al) (б).

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе исследования установлено, что при упрочнении в течение 15 мин с помощью импульсного иттербиевого волоконного лазера мощностью 100 Вт поверхности инструментальной стали 3Х2В8Ф порошком карбида бора (B4C) марки F220 при определенных параметрах обработки можно получить поверхность с микротвердостью 1326 ± 110 HV, шероховатостью второго класса и средним арифметическим отклонением профиля Ra = 34.2 ± 4.1 мкм. При лазерном упрочнении с такими же параметрами обработки смесью из порошков карбида бора (B4C) марки F220 и алюминия (Al) марки ПА-4 в количестве 70 и 30 мас. % соответственно микротвердость функционального слоя составляет 1200 ± 110 HV, а Ra = 1.31 ± 0.15 мкм, что соответствует седьмому классу шероховатости. Деталь, поверхность которой обладает такой шероховатостью, можно использовать в некоторых трибосистемах даже без дополнительной механической обработки. Повышенную микротвердость поверхности можно объяснить наличием фазы Fe2B, имеющей высокую трещиностойкость, а содержание соединения AlCrFe приводит к более гладкой поверхности и увеличивает коррозионную стойкость поверхности.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Работа выполнена в рамках государственного задания № FWSF-2024-0010 и № FWSF-2024-0013 на проведение исследований и при финансовой поддержке Бурятского государственного университета им. Доржи Банзарова (БГУ) (грант № 24-03-01). Эксперименты проведены на оборудовании Института физического материаловедения СО РАН и ЦКП “Научные приборы” БГУ. Авторы выражают благодарность научным сотрудникам лаборатории физического материаловедения Института физического материаловедения СО РАН Н.С. Улаханову, И.А. Южакову, С.А. Лысых за помощь в обработке образцов и Д.Э. Дашееву за помощь в проведении рентгенофазового анализа.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы данной работы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

×

作者简介

А. Lupsanov

Banzarov Buryat State University

编辑信件的主要联系方式.
Email: lupandrey@yandex.ru
俄罗斯联邦, Ulan-Ude

U. Mishigdorzhiyn

Institution of Science Institute of Physical Materials Science SB RAS

Email: undrakh@ipms.bscnet.ru
俄罗斯联邦, Ulan-Ude

А. Mashanov

Banzarov Buryat State University

Email: lupsanovab@bsu.ru
俄罗斯联邦, Ulan-Ude

А. Milonov

Banzarov Buryat State University; Institution of Science Institute of Physical Materials Science SB RAS

Email: lupsanovab@bsu.ru
俄罗斯联邦, Ulan-Ude; Ulan-Ude

А. Nomoev

Banzarov Buryat State University; Institution of Science Institute of Physical Materials Science SB RAS

Email: lupsanovab@bsu.ru
俄罗斯联邦, Ulan-Ude; Ulan-Ude

参考

  1. Климов В.Г., Жаткин С.С., Щедрин Е.Ю., Когтева А.В. // Изв. Самарского науч. центра РАН. 2015. T. 17. № 2 (4). С. 782. http://www.ssc.smr.ru/media/journals/izvestia/ 2015/2015_2_782_788.pdf
  2. Рыкалин Н.Н., Углов А.А., Зуев И.В., Кокора А.Н. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов: Справочник. М.: Машиностроение, 1985. 496 с.
  3. Beguin J.D., Gazagne V., Balcaen Y., Alexis J., Andrieu E. // Mater. Sci. Forum. 2018. V. 941. P. 845. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.941.845
  4. Rumsey A.M., Jahan M.P. // Encyclopedia of Aluminum and Its Alloys / Ed. Totten G.E. et al. 2018. V. 2. P. 1557. https://www.routledge.com/Encyclopedia-of-Aluminum-and-Its-Alloys-Two-Volume-Set-Print/Totten-Tiryakioglu-Kessler/p/book/9781466510807
  5. Zhu C., Wan H., Min J., Mei Y., Lin J., Carlson B.E., Maddela S. // Opt. Lasers Engin. 2019. V. 119. P. 65. http://dx.doi.org/10.1016/j.optlaseng.2019.03.017
  6. Гусев А.А., Гусева Г.В. // Изв. Самарского науч. центра РАН. 2012. Т. 14. № 6. C. 254. http://www.ssc.smr.ru/media/journals/izvestia/2012/2012_6_254_259.pdf
  7. Рыкалин Н.Н., Углов А.А., Зуев И.В., Кокора А.Н. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов: Справочник. М.: Машиностроение, 1985. 496 с.
  8. Морозов Е.А., Шумков А.Е., Дроздов А.А., Юсибов Н.С. // Металлообработка. 2019. № 2 110). С. 19. https://doi.org/10.25960/mo.2019.2.19
  9. Schneider M.F. Laser Cladding with Powder. Ph. D. Thesis University of Twente, Enschede (The Netherlands). 1998. 177 p. https://research.utwente.nl/files/6075114/t0000007.pdf
  10. Жидков М.В., смирнов Н.А., Чэнь Ц., Кудряшов С.И., Япрынцев М.Н. // Письма о материалах. 2020. Т. 10. № 3. С. 243. https://doi.org/10.22226/2410-3535-2020-3-243-248
  11. Великих В.С., Гончаренко В.П., Зверев А.Ф., Картавцев В.С. // Металловедение и термическая обработка металлов. 1985. № 4. С. 9.
  12. Лабунец В.Ф., Ворошнин Л.Г., Киндарчук М.В. Износостойкие боридные покрытия. Киев: Тэхника, 1989. 158 с.
  13. Лупсанов А.Б., Лысых С.А., Южаков И.А., Милонов А.С., Мишигдоржийн У.Л., Номоев А.В. // Вестн. Бурятского гос. ун-та. Химия. Физика. 2022. № 2–3. С. 3. https://journals.bsu.ru/doi/10.18101/2306-2363-2022-2-3-3-21
  14. Mishigdorzhiyn U.L., Ulakhanov N.S., Nomoev A.V., Lupsanov A.B. // J. Phys.: Conf. Ser. 2021. V. 2064. Р. 012102. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/ 2064/1/012102/pdf
  15. Патент 2786263 C1 (RU). Способ лазерного легирования инструментальной стали порошками карбида бора и алюминия. / ИФМ СО РАН. Лупсанов А.Б., Мишигдоржийн У.Л., Номоев А.В., Южаков И.А., Лысых С.А. // 2022. Бюл. № 35.
  16. Lupsanov A., Lysykh S., Bronnikova S., Dasheev D., Mishigdorzhiyn U., Nomoev A.V., Ulakhanov N., Yuzhakov I. // Key Engin. Mater. 2023. V. 943. P. 3. https://doi.org/10.4028/p-4r8877
  17. Roberts G.A., Kraus G., Kennedy R.L. Tool Steels. Ohio: ASM International, 1998. 364 p.
  18. ГОСТ Р 52381–2005 (ИСО 8486-1:1996 ИСО 6344-2:1998 ИСО 9138:1993 ИСО 9284:1992). Национальный стандарт РФ. Материалы абразивные. Зернистость и зерновой состав шлифовальных порошков. Контроль зернового состава (утв. и введен в действие Приказом Росстандарта от 27 октября 2005 г. № 267-ст). Национальные стандарты. М.: Стандартинформ, 2005.
  19. ГОСТ 6058–2022. Межгосударственный стандарт. Порошок алюминиевый. Технические условия (утв. и введен в действие Приказом Росстандарта от 26 октября 2022 г. № 1192-ст, введен в действие в качестве национального стандарта Российской Федерации с 1 декабря 2022 г.). Межгосударственные стандарты. М.: Российский институт стандартизации, 2022.
  20. ГОСТ 9450-76 (СТ СЭВ 1195-78). Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников (с Изменениями № 1, 2) Государственный стандарт Союза ССР (утв. и введен в действие Постановлением Государственного комитета стандартов Совета Министров СССР от 09.01.76 г. № 68 (ред. от 01.03.1993 г.). АН СССР. М.: Изд-во Стандартов, 1993.
  21. Батаев И.А., Курлаев Н.В., Ленивцева О.Г., Бутыленкова О.А., Лосинская А.А. // Обработка металлов: технология, оборудование, инструменты. 2012. № 1. С. 85. https://elibrary.ru/download/elibrary_17725258_ 62279488.pdf
  22. Протасевич В.Ф., Стасевич Г.В., Басалай И.А. // Металлургия: республиканский межведомственный сборник научных трудов. Минск: БНТУ, 2011. Вып. 33. Ч. 2. С. 161. https://rep.bntu.by/bitstream/handle/data/20098/%d0%a1.%20161-172.pdf?sequence=1&isAllowed=y
  23. ГОСТ 2789-73. Межгосударственный стандарт. Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики (с Изменениями № 1 и № 2) (утв. и введен в действие Постановлением Государственного комитета стандартов Совета Министров СССР от 23.04.73 № 995) Ограничение срока действия снято Постановлением Госстандарта от 08.05.80 № 2019. М.: Стандартинформ, 2018.

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载
2. Fig. 1. Surface of samples: No. 1, treated with B4C powder grade F220 (a); No. 2, treated with a mixture of B4C powder grade F220 (70 wt.%) and Al grade PA-4 (30 wt.%) (b).

下载 (67KB)
索引源数据
3. Fig. 2. SEM images of samples No. 1 (B4C) (a, b) and No. 2 (B4C + Al) (c, d) at a magnification of ×300 (a, c) and ×500 (b, d).

下载 (63KB)
索引源数据
4. Fig. 3. Dependence of the microhardness index of samples No. 1 (B4C) and No. 2 (B4C + Al) on the distance from the surface d.

下载 (12KB)
索引源数据
5. Fig. 4. Diffraction pattern of sample No. 1 (B4C).

下载 (22KB)
索引源数据
6. Fig. 5. Diffraction pattern of sample No. 2 (B4C + Al).

下载 (22KB)
索引源数据
7. Fig. 6. 3D profilograms of samples No. 1 (B4C) (a) and No. 2 (B4C + Al) (b).

下载 (74KB)
索引源数据

版权所有 © Russian Academy of Sciences, 2024

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».