Paviršiaus grūdinimo svarba greitaeigiam plienui{0}}
Greitaeigis plienas (HSS) dėl puikaus raudono kietumo, kietumo ir atsparumo dilimui yra plačiai naudojamas gaminant pjovimo įrankius, štampus ir mašinų komponentus. Tačiau esant ekstremalioms eksploatavimo sąlygoms-, tokioms kaip pjovimas dideliu-greičiu, pakartotinis smūgis ir trintis-, HSS komponentų paviršius yra linkęs nusidėvėti, oksiduotis ir sugesti, o tai riboja jų tarnavimo laiką. Grūdinimas lazeriu, kaip tikslaus paviršiaus terminio apdorojimo technologija, pasirodė kaip veiksmingas būdas pagerinti HSS paviršiaus savybes. Vietiškai kaitinant HSS paviršių iki austenitizavimo temperatūros fokusuotu lazerio spinduliu ir pasikliaudamas greitu substrato šilumos laidumu savaiminiam-gesimui, jis sudaro didelio-kietumo martensitinį sluoksnį, nedarant reikšmingos įtakos masinėms mechaninėms savybėms. Norint optimizuoti procesą, pagerinti komponentų patikimumą ir išplėsti HSS taikymo sritį didelės paklausos pramonės šakose, labai svarbu ištirti lazerinio grūdinimo poveikį HSS paviršiaus savybėms.
Poveikis paviršiaus kietumui ir atsparumui dilimui
Grūdinimas lazeriu žymiai pagerina greitapjovio plieno{0}} paviršiaus kietumą ir atsparumą dilimui. Esant optimaliems proceso parametrams (lazerio galia 1–5 kW, skenavimo greitis 1–5 m/min.), HSS (pvz., W6Mo5Cr4V2) paviršiaus kietumas gali siekti 65–70 HRC, o tai yra 10–15% didesnis nei tradicinio terminio apdorojimo. Tai siejama su smulkiagrūdžio martensito susidarymu ir persotintos anglies sulaikymu martensitinėse gardelėse greito kaitinimo ir gesinimo metu lazeriu. Tanki martensitinė struktūra sumažina trinties veikiamo paviršiaus plastinę deformaciją, o grūdinimo metu nusodinti kietieji karbidai (pvz., MC, M6C) dar labiau padidina atsparumą dilimui. Dėvėjimosi bandymai rodo, kad lazeriu{23}}grūdinti HSS pjovimo įrankiai tarnauja 2–3 kartus ilgiau nei nesugrūdinti, o nusidėvėjimo mechanizmas keičiasi nuo klijų nusidėvėjimo iki lengvo abrazyvinio nusidėvėjimo, o tai veiksmingai sumažina medžiagų nuostolius eksploatacijos metu.
Poveikis paviršiaus mikrostruktūrai
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 laipsniai /s) slopina anglies atomų difuziją, todėl vietoj tradicinio terminio apdorojimo metu susidarančio stambaus martensito susidaro smulkus smailas martensitas. Be to, neištirpę smulkūs karbidai yra tolygiai pasiskirstę martensitinėje matricoje, veikdami kaip „sustiprinimo fazės“, trukdančios išnirimų judėjimui. Lazeriu-sukietinto HSS šilumos-veikiama zona (HAZ) yra siaura (tik 0,5–2 mm), o mikrostruktūra sklandžiai pereina iš sukietėjusio sluoksnio į pagrindinę medžiagą, išvengiant struktūrinių defektų, tokių kaip įtrūkimai, ir užtikrinamas komponento vientisumas.
Poveikis paviršiaus liekamajam stresui ir nuovargiui
Grūdinimas lazeriu sukuria liekamąjį gniuždymo įtempį greitaeigio plieno{0}} paviršiuje, o tai yra naudinga gerinant nuovargį. Greitas kaitinimas ir aušinimas proceso metu sukelia šiluminio plėtimosi ir susitraukimo skirtumus tarp paviršinio sluoksnio ir pagrindo: paviršinis sluoksnis plečiasi kaitinant ir yra suvaržytas šalto pagrindo, todėl po aušinimo susidaro gniuždymo įtempis. Paviršiaus liekamojo gniuždymo įtempio dydis gali siekti -300–600 MPa, o tai atsveria eksploatacijos metu susidariusią tempimo įtempį ir sumažina nuovargio įtrūkimų atsiradimą ir plitimą. Nuovargio bandymai rodo, kad lazeriu grūdintų HSS komponentų nuovargio riba padidėja 20–30%, palyginti su nesukietėjusiomis. Tačiau dėl netinkamų proceso parametrų (pvz., per didelė lazerio galia, per lėtas skenavimo greitis) gali atsirasti per didelis šiluminis įtempis, dėl kurio gali atsirasti liekamasis tempimo įtempis arba net paviršiaus įtrūkimai, kurie neigiamai veikia nuovargio savybes. Taigi proceso optimizavimas yra labai svarbus siekiant užtikrinti palankų liekamojo įtempio pasiskirstymą.
Išvada: Išsamus įvertinimas ir ateities perspektyvos
Grūdinimas lazeriu daro teigiamą ir reikšmingą poveikį greitabėgio plieno -paviršiaus savybėms, visapusiškai pagerindamas paviršiaus kietumą, atsparumą dilimui ir nuovargio savybes, reguliuojant paviršiaus mikrostruktūrą ir sukuriant liekamąjį gniuždymo įtempį. Jis įveikia tradicinio terminio apdorojimo apribojimus (pvz., didelis HAZ, netolygus kietumas) ir yra tikslus, efektyvus būdas pagerinti HSS komponentų našumą. Būsimi tyrimai turėtų būti skirti optimizuoti lazerinio grūdinimo proceso parametrus įvairiems HSS tipams (pvz., miltelinės metalurgijos HSS) ir lazerinio grūdinimo derinimą su kitomis paviršiaus modifikavimo technologijomis (pvz., PVD dengimu, nitridavimu), kad būtų galima sinergiškai pagerinti paviršiaus savybes. Kuriant išmaniąsias lazerines sistemas, kietėjimo proceso stebėjimas realiuoju laiku ir adaptyvus valdymas dar labiau pagerins paviršiaus savybių gerinimo stabilumą, skatinant platesnį lazeriu{11}}sugrūdinto HSS taikymą aukštos{12}}galybės gamybos srityse.
