Особенности морфологии поверхности стали 45 после лазерной закалки

Abstract

В статье дана характеристика особенностей морфологии поверхности стали после лазерной закалки. Изучено влияние технологических параметров, таких как сила тока, время импульса и энергия в импульсе на формирование морфологических особенностей стальной поверхности после лазерной закалки. Структурные особенности были изучены с помощью сканирующей электронной микроскопии. Было установлено, что использование различных комбинаций технологических параметров (изменения силы тока в диапазоне от 60 до 180 А, времени импульса от 5 до 20 ms, энергии в импульсе в пределах от 0,3 Дж до 10,0 Дж) дает возможность получения большого разнообразия вариантов топографии поверхности стали после лазерной обработки, отвечающих разным триботехническим характеристикам структур: от пористых до ярко выраженных зон неравномерного оплавления, кристаллических дендридных и с хорошо упорядоченной упаковкой зерен. Согласно результатам микроскопических исследований обработка с энергией до 1 Дж не приводит к нагреву с оплавлением поверхности: при обработке с энергией в импульсе менее 1 Дж токами менее 100 А топография поверхности после обработки отличается от первоначальной только появлением следов выхода на поверхность практически всех имеющихся в металле элементов. При обработке с энергией в импульсе более 1 Дж на поверхности наблюдаются зоны оплавления. Всего в структурах обработанных лазерным излучением образцов можно выделить четыре типа основных структурных элементов: зона без выраженных кристаллитов, зона роста дендридов, зона ярко выраженных кристаллитных структур, зона отслаиваемых образований. В результате подробного спектрального анализа было обнаружено формирование отдельных гетерогенных мультиэлементных областей, причем была установлена зависимость интенсивности образования мультиэлементных зон от энергии в импульсе: чем выше энергия – тем больший объем металла подвергается тепловому воздействию и тем интенсивнее процесс образования этих зон. Несмотря на то, что энергию в импульсе определяют и сила тока накачки, и время импульса, было установлено, что влияние этих технологических факторов на свойства мультиэлементных зон неоднозначно. Увеличение силы тока способствует росту мультиэлементных зон, тогда как увеличение времени импульса способствует их отслаиванию. Было обнаружено, что когезия мультиэлементных областей зависит от режимов обработки. Особенно важным фактором для получения оптимальной структуры поверхности является время импульса. C увеличением времени выдержки импульса усиливается окисление поверхности, приводящее к ослаблению когезионных сил. Обработка импульсом более 15 ms приводит к массовому отслаиванию образовавшихся на поверхности мультиэлементных областей.

Characterization of morphological features of steel surface after laser treatment was done. Influence of basic technological parameters such as current, time, energy in laser beam for formation of morphological features of steel surface after laser treatment was studied. Structural features of steel surface after laser treatment were investigated by electron microscopy technique. It was found that using various combinations of process parameters (current ranging from 60 to 180 A, pulse duration from 5 to 20 ms, and pulse energy from 0,3 J to 10,0 J) enables a wide variety of surface topographies to be achieved after laser treatment, corresponding to different tribological characteristics of structures: from porous to clearly defined zones of uneven melting, crystalline dendritic grains, and those with well-ordered grain packing. According to microscopic studies, treatment with an energy of up to 1 J does not result in heating and surface melting. When treated with a pulse energy of less than 1 J and currents of less than 100 A, the post-treatment surface topography differs from the initial surface only by the appearance of traces of virtually all elements present in the metal emerging on the surface. When treated with a pulse energy greater than 1 J, melting zones are observed on the surface. Four types of main structural elements can be identified in the structures of laser-treated samples: a zone without distinct crystallites, a zone of dendrite growth, a zone of clearly defined crystallite structures, and a zone of exfoliated formations. A detailed spectral analysis revealed the formation of individual heterogeneous multi-element regions, and a dependence was established between the intensity of multi-element zone formation and pulse energy: the higher the pulse energy, the greater the volume of metal subjected to thermal action and the more intense the formation of these zones. Although pulse energy is determined by both pump current and pulse duration, it was found that the influence of these process factors on the properties of multi-element zones is ambiguous. Increasing current promotes the growth of multi-element zones, while increasing pulse duration promotes their exfoliation. It was found that the cohesion of multi-element regions depends on the processing conditions. Pulse duration is a particularly important factor for achieving an optimal surface structure. Increasing the pulse exposure time intensifies surface oxidation, weakening cohesive forces. Pulse durations longer than 15 ms lead to massive exfoliation of the multi-element regions formed on the surface.