eng
Выпуск #7-8/2020
К.С.Кравчук, И.В.Красногоров, А.А.Русаков, А.С.Усеинов
Исследование влияния поверхностного упрочнения на локальные механические свойства режущей кромки обрабатывающего инструмента
Исследование влияния поверхностного упрочнения на локальные механические свойства режущей кромки обрабатывающего инструмента
Просмотры: 1969
DOI: 10.22184/1993-8578.2020.13.7-8.434.441
В работе методом инструментального индентирования исследовались механические свойства режущей кромки вырубного штампа, модифицированной с помощью механического воздействия фрезерного инструмента и локального нагрева лазером. Построены профили твердости от глубины с помощью метода автоматизированного картографирования. Установлено, что обработка острия локальным нагревом с помощью лазера приводит к увеличению твердости сплава в 1,5 раза в области размером около 40 мкм.
В работе методом инструментального индентирования исследовались механические свойства режущей кромки вырубного штампа, модифицированной с помощью механического воздействия фрезерного инструмента и локального нагрева лазером. Построены профили твердости от глубины с помощью метода автоматизированного картографирования. Установлено, что обработка острия локальным нагревом с помощью лазера приводит к увеличению твердости сплава в 1,5 раза в области размером около 40 мкм.
Теги: hardness of the alloy virology local mechanical properties mapping surface hardening effect картографирование локальные механические свойства поверхностное упрочнение твердость сплава
К.С.Кравчук*, к.ф.-м.н., науч. сотр., (ORCID: 0000-0002-9956-9939), И.В.Красногоров*, мл. науч. сотр., А.А.Русаков*, мл. науч. сотр., (ORCID: 0000-0001-5702-1353), А.С.Усеинов*, к.ф.-м.н., первый заместитель директора по научной работе ФГБНУ ТИСНУМ, (ORCID: 0000-0002-9937-0954) / useinov@mail.ru
K.S.Kravchuk*, Researcher, Cand. of Sc. (Physics and Mathematics), I.V.Krasnogorov*, Junior Researcher, A.A.Rusakov*, Junior Researcher, A.S.Useinov*, Cand. of Sc. (Physics and Mathematics), First Deputy Director for Scientific Work of the FSBSI TISNCM
DOI: 10.22184/1993-8578.2020.13.7-8.434.441
Получено: 25.11.2020 г.
ВВЕДЕНИЕ
Локальное упрочнение ответственных участков поверхности, подвергающихся повышенным механическим нагрузкам, является одним из важнейших этапов при производстве инструмента, узлов и деталей машин и механизмов.
В основном методы упрочнения поверхностей можно разбить на две основные группы:
упрочнение изделия без изменения химического состава поверхности, но с изменением структуры. Упрочнение достигается поверхностной закалкой, поверхностным пластическим деформированием и другими методами;
упрочнение изделия с изменением химического состава поверхностного слоя и его структуры. Упрочнение осуществляется различными методами химико-термической обработки и нанесением защитных слоев.
Деформация поверхности – один из наиболее простых способов, при котором прочностные характеристики поверхности возрастают. Основное назначение поверхностного пластического деформирования – повышение усталостной прочности путем наклепа поверхности на глубину 100–300 мкм. Разновидностями такой обработки являются дробеструйная обработка, обработка роликами, микрофрезерование, накатка рельефа и др.
Другим распространенным методом поверхностного упрочнения является локальная термическая обработка. В современных технологических процессах для локального нагрева применяют лазеры. Лазер – высокопроизводительный, точный, гибкий и чистый источник тепла, имеющий широкое применение в промышленности. С появлением дешевых, надежных и энергоэффективных лазеров их применение в промышленности постоянно растет [1]. Инструменты на основе лазеров используются при резке, сварке, наплавке, легировании, сверлении и пайке [2–4]. Данные процессы можно проводить на областях в масштабе от миллиметрового до микронного размера, в зависимости от типа, мощности, газовой среды и режима работы лазера [5–9].
Лазер активно применяется для локального упрочнения изделий из инструментальной стали. Обработка поверхности лазером увеличивает твердость, стойкость к коррозии и механическому износу [10]. Лазерное упрочнение – процесс аналогичный обычной сквозной закалке, но проводится в ограниченной области и на порядок быстрее. Лазер нагревает область до температуры фазового перехода без плавления металла. При охлаждении аустенит превращается в мартенсит, что дает увеличение твердости и образование на поверхности остаточного сжимающего напряжения, связанного с увеличения объема [1, 11, 12].
Помимо лазерного нагрева на поверхностное упрочнение также влияет механическая обработка при формировании кромки. Деформация и нагрев при взаимодействии с фрезерным инструментом также может изменить свойства материала на поверхности [13–15].
Локальное упрочнение узкой режущей кромки активно применяется в производстве вырубных штампов штанцевальных машин. Штанцевание – высекание (вырубка) заготовки по внешнему контуру ударом штампа по листовому материалу: бумаге, картону, полимерной пленке. Качество режущей кромки один из главных параметров, определяющих надежность и производительность штанцевальной машины.
В данной работе приведены результаты применения автоматизированных алгоритмов картирования твердости и модуля упругости для исследования локальных механических свойств поверхностно упрочненного инструмента методами механического микрофрезерования и локального лазерного нагрева.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В ходе пробоподготовки была проведена горячая запрессовка образцов вырубных штампов на станке MECAPRESS 3 (PRESI, Франция), материал запрессовки – фенольная смола (твердость 90 Шор D). Образцы заливались перпендикулярно плоскости образца и перпендикулярно режущей кромки.
Поверхность образцов обработана на полировально-шлифовальном оборудовании фирмы Struers (Швейцария). Шероховатость после полировки контролировалась по трехмерным изображениям поверхности образца (рис.1), полученным на оптическом профилометре S neox (Sensofar, Испания). Цвет и яркость на изображении показывает высоту и неровность поверхности. Видны завалы образца на краю образца. Шероховатость поверхности Ra образца по данным оптического профилометра не превышает 1 нм.
Измерения твердости и модуля упругости (Юнга) проводились на нанотвердомере "НаноСкан-4D" (ТИСНУМ, Россия) [16–20]. Измерения проводились методом инструментального индентирования в соответствии с ГОСТ Р 8.748-2011, известном также как метод наноиндентирования [21]. Данный метод основан на вдавливании алмазного пирамидального наконечника в материал с одновременным измерением глубины и силы нагружения. Анализ кривой нагружения-разгружения позволяет вычислить величину твердости и модуль упругости материала, а также коэффициент упругого восстановления, работу деформации и ряд других менее значимых параметров материала.
Позиционирование области испытаний проводилось с помощью видеоизображения оптического микроскопа. Благодаря высокоточной системе позиционирования образца, точность установки координат измерения составляет не более 1 мкм. Для того чтобы соседние измерения не влияли друг на друга, уколы следует располагать на расстоянии более трех размеров отпечатков друг от друга.
Измерение профилей твердости проводилось с помощью автоматизированных алгоритмов, позволяющих выполнять большие серии измерений без участия оператора [22, 23].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Проведение серии испытаний в автоматическом режиме с регистрацией координат позволяет исследовать неоднородность свойств образца по поверхности. К подобным исследованиям относятся процедуры картирования и измерение профиля твердости. Картирование – проведение индентов с одинаковой нагрузкой по регулярной сетке, профиль твердости – проведение серии испытаний вдоль выбранного направления с постоянным шагом. Увеличить пространственное разрешение при измерении профиля твердости можно с помощью увеличения количество испытаний, например с помощью дополнительных рядов индентов, смещенных относительно соседних рядов.
На образце вырубного штампа в автоматическом режиме проведены серии индентов вдоль и поперек режущей кромки с нагрузкой 50 мН. На рис.2 приведена микрофотография серии отпечатков после построения профиля твердости № 1 поперек выступа вырубного штампа. На рис.3 приведены соответствующие профили твердости и модуля упругости, рассчитанные по результатам серии уколов. Как видно из графиков на рис.3, разница в твердости в центре и на краю образца не обнаруживается.
На рис.4 приведена микрофотография серии отпечатков после построения профиля твердости № 2 вдоль штампа. На рис.5 приведены соответствующие профили твердости и модуля упругости.
Координата 0 оси абсцисс графиков на рис.5 соответствует некоторой точке в массиве образца. Увеличение координаты означает приближение к краю образца, то есть к режущей кромке вырубного штампа. На графике (слева) видно, что значение твердости увеличивается с 5,5±0,5 ГПа в глубине образца до 9,2±0,7 ГПа на краю, в области размером 40±5 мкм. Увеличение твердости также явно видно по размеру отпечатков на фотографии (рис.4): размер отпечатков уменьшается при неизменной силе нагружения. В то же время наблюдаемое уменьшение значения модуля упругости на 10% является незначительным и может быть связано не столько с изменением свойств материала, сколько с локальным наклоном поверхности в области края образца. Известно, что такой наклон всегда возникает на краях при механической полировке при пробоподготовке, а расчет значения модуля упругости по методу инструментального индентирования чрезвычайно чувствителен к наклону кривой нагружения, который, в свою очередь, зависит от угла между осью индентора и плоскостью образца.
ВЫВОДЫ
В данной работе в автоматическом режиме индентирования проведена серия измерений твердости и модуля упругости с целью построения профиля распределения механических свойств вблизи режущих кромок вырубных штампов. Исследованные кромки подвергались поверхностному упрочнению методом механического микрофрезерования (боковая сторона штампа) и методом локального лазерного нагрева (режущая кромка).
Показано, что автоматизированное картографирование краевой области позволяет идентифицировать локальные изменения механических свойств приповерхностного слоя (твердости и модуля упругости) с пространственным разрешением порядка 3–5 мкм).
Пространственное разрешение зависит от выбранной нагрузки индентирования и, соответственно, расстояния между соседними измерениями с учетом критерия, при котором соседние измерения на влияют друг на друга. Показано, что повысить пространственное разрешение можно путем промера нескольких серий уколов, смещенных относительно соседних на величину, меньшую расстояния между уколами.
Полученные зависимости твердости от расстояния до режущей кромки позволяют определить глубину приповерхностного слоя, свойства которого были модифицированы в результате обработки. В частности, в данной работе показано, что микрофрезерная обработка стенок штампа фрезой не приводит к ее упрочнению, в то время как локальный лазерный нагрев существенно повышает твердость кромки по сравнению с твердостью в объеме материала (с 5,5±0,5 ГПа до 9,2±0,7 ГПа). При этом по полученным профилям твердости можно определить, что толщина приповерхностного слоя, в котором происходит изменение свойств, составляет 40 мкм. Данная информация может быть использована при отработке технологических процессов производства инструмента в качестве обратной связи при подборе режимов работы лазерных установок локальной термической обработки.
Работа выполнена в рамках выполнения государственного задания ФГБНУ ТИСНУМ на 2020 год.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Padmanabham G., Bathe R. Laser Materials Processing for Industrial Applications. Proc. Natl. Acad. Sci. India Sect. A – Phys. Sci. Springer India. 2018. V. 88. No. 3. PP. 359–374. https://doi.org/10.1007/s40010-018-0523-5.
Basu A., Chakraborty J., Shariff S.M., Padmanabham G., Joshi S.V., Sundararajan G., Majumdar J.D. and Manna I. Laser surface hardening of austempered (bainitic) ball bearing steel. Scr. Mater. 2007. V. 56. No. 10. PP. 887–890. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2007.01.029.
Kompanets V.O., Laptev V.B., Pigul’Skii S.V., Ryabov E.A., Chekalin S.V., Blank V.D., Denisov V.N., Kravchuk K.S., Kulnitskiy B.A., Perezhogin I.A. The formation of carbonic and silicon dioxide structured films through the decomposition of molecules on the surface of ionic crystals under the action of IR femtosecond laser radiation. Laser Phys. 2016. V. 26. No. 6. P. 066002. https://doi.org/10.1088/1054-660X/26/6/066002.
Koplak O., Kravchuk К., Useinov А., Talantsev A., Hehn M., Vallobra P., Mangin S., Morgunov R. Surface engineering of magnetic and mechanical properties of Ta/Pt/GdFeCo/IrMn/Pt heterostructures by femtosecond laser pulses. Appl. Surf. Sci. 2019. V. 493. PP. 470–477. https://doi.org/10.1016/j.apsusc. 2019.07.024.
Moradi M., Sharif S., Nasab S.J., Moghadam M.K. Laser Surface Hardening of AISI 420 Steel; Parametric Evaluation, Statistical Modeling and Optimization. Optik (Stuttg). 2020. P. 165666. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2020.165666.
Martínez S., Lamikiz A., Ukar E., Calleja A., Arrizubieta J.A., Lopez de Lacalle L.N. Analysis of the regimes in the scanner-based laser hardening process. Opt. Lasers Eng. 2017. V. 90. PP. 72–80. https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2016.10.005.
Maharjan N., Zhou W., Wu N. Direct laser hardening of AISI 1020 steel under controlled gas atmosphere. Surf. Coatings Technol. 2020. V. 385. P. 125399. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.125399.
Telasang G., Majumdar J.D., Padmanabham G., Manna I. Structure-property correlation in laser surface treated AISI H13 tool steel for improved mechanical properties. Mater. Sci. Eng. A. 2014. V. 599. PP. 255–267. https://doi.org/10.1016/j.msea.2014.01.083.
Maharjan N., Zhou W., Zhou Y., Guan Y., Wu N. Comparative study of laser surface hardening of 50CrMo4 steel using continuous-wave laser and pulsed lasers with ms, ns, ps and fs pulse duration. Surf. Coatings Technol. 2019. V. 366. PP. 311–320. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2019.03.036.
Telasang G., Majumdar J.D., Padmanabham G., Mann I. Wear and corrosion behavior of laser surface engineered AISI H13 hot working tool steel. Surf. Coatings Technol. 2015. V. 261. PP. 69–78. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2014.11.058.
Dinesh B.P., Buvanashekaran G., Balasubramanian K.R. Experimental studies on the microstructure and hardness of laser transformation hardening of low alloy steel. Trans. Can. Soc. Mech. Eng. 2012. V. 36. No. 3. PP. 241–257. https://doi.org/10.1139/tcsme-2012-0018.
Bingxu W., Yuming P., Yu L., Gary C.B., Feng Q., Ming H. Wear behavior of composite strengthened gray cast iron by austempering and laser hardening treatment. J. Mater. Res. Technol. 2020. V. 9. No. 2. PP. 2037–2043. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2019.12.036.
De A.K., Speer J.G., Matlock D.K., Murdock D.C., Mataya M.C., and Comstock Jr. R.J. Deformation-induced phase transformation and strain hardening in type 304 austenitic stainless steel. Metall. Mater. Trans. A Phys. Metall. Mater. Sci. 2006. V. 37. No. 6. PP. 1875–1886. https://doi.org/10.1007/s11661-006-0130-y.
Schubnell J., Pontner P., Wimpory R.C., Farajian M., Schulze V. The influence of work hardening and residual stresses on the fatigue behavior of high frequency mechanical impact treated surface layers. Int. J. Fatigue. 2020. V. 134. P. 105450. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2019.105450.
Schulze V., Bleicher F., Groche P., Guo Y.B., Pyun Y.S. Surface modification by machine hammer peening and burnishing. CIRP Ann. – Manuf. Technol. 2016. V. 65. No. 2. PP. 809–832. https://doi.org/10.1016/j.cirp. 2016.05.005.
Skazochkin A.V., Useinov A.S., Kislov S.V. Surface hardening of titanium alloy by minerals. Letters on Materials. 2018. V. 8. I. 1. 81–87. https://doi.org/10.22226/2410-3535-2018-1-81-87.
Гладких Е.В., Кравчук К.С., Усеинов А.С., Никитин А.А., Рогожкин С.В. Исследование влияния облучения ионами на механические свойства стали Eurofer 97. Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2019. № 1. С. 73–78. https://doi.org/10.1134/S1027451019010075.
Маслеников И.И., Усеинов А.С., Кравчук К.C., Косцова А.А., Решетов В.Н. Статистический учет влияния шероховатости на значения твердости, измеряемые при помощи метода инструментального индентирования. Физика твердого тела. 2018. Т. 60. № 11. С. 2219–2223. https://doi.org/10.1134/S1063783418110203.
Шаповалов В.И., Усеинов А.С., Кравчук К.С., Гладких Е.В., Козин А.А., Смирнов В.В. Кристаллическая структура и механические свойства пленок нитрида титана, синтезированных методом магнетроного распыления с горячей мишенью. Физика и химия стекла. 2017. Т. 43. № 5. С. 538–542. https://doi.org/10.1134/S1087659617050157.
Торская Е.В., Мезрин А.М., Морозов А.В., Усейнов А.С., Кравчук К.С., Фролов Н.Н. Сравнительное исследование трибологических свойств тонких покрытий на базе оксидов металлов на разных масштабных уровнях. Трение и износ. 2015. Т. 36. № 6. С. 699–705. https://doi.org/10.3103/S1068366615060161.
ГОСТ Р 8748-2011 (ИСО 14577-1:2002) Металлы и сплавы. Измерение твердости и других характеристик материалов при инструментальном индентировании.
Усеинов А., Кравчук К., Русаков А., Маслеников И., Красногоров И. Методы автоматизации измерений механических свойств в нанотвердомерах семейства "НаноСкан". НАНОИНДУСТРИЯ. 2016. № 7. С. 72–78. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2016.69.7.72.78.
Кравчук К., Усеинов А., Маслеников И., Перфилов С. Автоматизированный контроль параметров композитных изделий с помощью нанотвердомера "НаноСкан". Наноиндустрия. 2016. № 3. С. 54–58. DOI: 10.22184/1993-8578.2016.65.3.54.58.
K.S.Kravchuk*, Researcher, Cand. of Sc. (Physics and Mathematics), I.V.Krasnogorov*, Junior Researcher, A.A.Rusakov*, Junior Researcher, A.S.Useinov*, Cand. of Sc. (Physics and Mathematics), First Deputy Director for Scientific Work of the FSBSI TISNCM
DOI: 10.22184/1993-8578.2020.13.7-8.434.441
Получено: 25.11.2020 г.
ВВЕДЕНИЕ
Локальное упрочнение ответственных участков поверхности, подвергающихся повышенным механическим нагрузкам, является одним из важнейших этапов при производстве инструмента, узлов и деталей машин и механизмов.
В основном методы упрочнения поверхностей можно разбить на две основные группы:
упрочнение изделия без изменения химического состава поверхности, но с изменением структуры. Упрочнение достигается поверхностной закалкой, поверхностным пластическим деформированием и другими методами;
упрочнение изделия с изменением химического состава поверхностного слоя и его структуры. Упрочнение осуществляется различными методами химико-термической обработки и нанесением защитных слоев.
Деформация поверхности – один из наиболее простых способов, при котором прочностные характеристики поверхности возрастают. Основное назначение поверхностного пластического деформирования – повышение усталостной прочности путем наклепа поверхности на глубину 100–300 мкм. Разновидностями такой обработки являются дробеструйная обработка, обработка роликами, микрофрезерование, накатка рельефа и др.
Другим распространенным методом поверхностного упрочнения является локальная термическая обработка. В современных технологических процессах для локального нагрева применяют лазеры. Лазер – высокопроизводительный, точный, гибкий и чистый источник тепла, имеющий широкое применение в промышленности. С появлением дешевых, надежных и энергоэффективных лазеров их применение в промышленности постоянно растет [1]. Инструменты на основе лазеров используются при резке, сварке, наплавке, легировании, сверлении и пайке [2–4]. Данные процессы можно проводить на областях в масштабе от миллиметрового до микронного размера, в зависимости от типа, мощности, газовой среды и режима работы лазера [5–9].
Лазер активно применяется для локального упрочнения изделий из инструментальной стали. Обработка поверхности лазером увеличивает твердость, стойкость к коррозии и механическому износу [10]. Лазерное упрочнение – процесс аналогичный обычной сквозной закалке, но проводится в ограниченной области и на порядок быстрее. Лазер нагревает область до температуры фазового перехода без плавления металла. При охлаждении аустенит превращается в мартенсит, что дает увеличение твердости и образование на поверхности остаточного сжимающего напряжения, связанного с увеличения объема [1, 11, 12].
Помимо лазерного нагрева на поверхностное упрочнение также влияет механическая обработка при формировании кромки. Деформация и нагрев при взаимодействии с фрезерным инструментом также может изменить свойства материала на поверхности [13–15].
Локальное упрочнение узкой режущей кромки активно применяется в производстве вырубных штампов штанцевальных машин. Штанцевание – высекание (вырубка) заготовки по внешнему контуру ударом штампа по листовому материалу: бумаге, картону, полимерной пленке. Качество режущей кромки один из главных параметров, определяющих надежность и производительность штанцевальной машины.
В данной работе приведены результаты применения автоматизированных алгоритмов картирования твердости и модуля упругости для исследования локальных механических свойств поверхностно упрочненного инструмента методами механического микрофрезерования и локального лазерного нагрева.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В ходе пробоподготовки была проведена горячая запрессовка образцов вырубных штампов на станке MECAPRESS 3 (PRESI, Франция), материал запрессовки – фенольная смола (твердость 90 Шор D). Образцы заливались перпендикулярно плоскости образца и перпендикулярно режущей кромки.
Поверхность образцов обработана на полировально-шлифовальном оборудовании фирмы Struers (Швейцария). Шероховатость после полировки контролировалась по трехмерным изображениям поверхности образца (рис.1), полученным на оптическом профилометре S neox (Sensofar, Испания). Цвет и яркость на изображении показывает высоту и неровность поверхности. Видны завалы образца на краю образца. Шероховатость поверхности Ra образца по данным оптического профилометра не превышает 1 нм.
Измерения твердости и модуля упругости (Юнга) проводились на нанотвердомере "НаноСкан-4D" (ТИСНУМ, Россия) [16–20]. Измерения проводились методом инструментального индентирования в соответствии с ГОСТ Р 8.748-2011, известном также как метод наноиндентирования [21]. Данный метод основан на вдавливании алмазного пирамидального наконечника в материал с одновременным измерением глубины и силы нагружения. Анализ кривой нагружения-разгружения позволяет вычислить величину твердости и модуль упругости материала, а также коэффициент упругого восстановления, работу деформации и ряд других менее значимых параметров материала.
Позиционирование области испытаний проводилось с помощью видеоизображения оптического микроскопа. Благодаря высокоточной системе позиционирования образца, точность установки координат измерения составляет не более 1 мкм. Для того чтобы соседние измерения не влияли друг на друга, уколы следует располагать на расстоянии более трех размеров отпечатков друг от друга.
Измерение профилей твердости проводилось с помощью автоматизированных алгоритмов, позволяющих выполнять большие серии измерений без участия оператора [22, 23].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Проведение серии испытаний в автоматическом режиме с регистрацией координат позволяет исследовать неоднородность свойств образца по поверхности. К подобным исследованиям относятся процедуры картирования и измерение профиля твердости. Картирование – проведение индентов с одинаковой нагрузкой по регулярной сетке, профиль твердости – проведение серии испытаний вдоль выбранного направления с постоянным шагом. Увеличить пространственное разрешение при измерении профиля твердости можно с помощью увеличения количество испытаний, например с помощью дополнительных рядов индентов, смещенных относительно соседних рядов.
На образце вырубного штампа в автоматическом режиме проведены серии индентов вдоль и поперек режущей кромки с нагрузкой 50 мН. На рис.2 приведена микрофотография серии отпечатков после построения профиля твердости № 1 поперек выступа вырубного штампа. На рис.3 приведены соответствующие профили твердости и модуля упругости, рассчитанные по результатам серии уколов. Как видно из графиков на рис.3, разница в твердости в центре и на краю образца не обнаруживается.
На рис.4 приведена микрофотография серии отпечатков после построения профиля твердости № 2 вдоль штампа. На рис.5 приведены соответствующие профили твердости и модуля упругости.
Координата 0 оси абсцисс графиков на рис.5 соответствует некоторой точке в массиве образца. Увеличение координаты означает приближение к краю образца, то есть к режущей кромке вырубного штампа. На графике (слева) видно, что значение твердости увеличивается с 5,5±0,5 ГПа в глубине образца до 9,2±0,7 ГПа на краю, в области размером 40±5 мкм. Увеличение твердости также явно видно по размеру отпечатков на фотографии (рис.4): размер отпечатков уменьшается при неизменной силе нагружения. В то же время наблюдаемое уменьшение значения модуля упругости на 10% является незначительным и может быть связано не столько с изменением свойств материала, сколько с локальным наклоном поверхности в области края образца. Известно, что такой наклон всегда возникает на краях при механической полировке при пробоподготовке, а расчет значения модуля упругости по методу инструментального индентирования чрезвычайно чувствителен к наклону кривой нагружения, который, в свою очередь, зависит от угла между осью индентора и плоскостью образца.
ВЫВОДЫ
В данной работе в автоматическом режиме индентирования проведена серия измерений твердости и модуля упругости с целью построения профиля распределения механических свойств вблизи режущих кромок вырубных штампов. Исследованные кромки подвергались поверхностному упрочнению методом механического микрофрезерования (боковая сторона штампа) и методом локального лазерного нагрева (режущая кромка).
Показано, что автоматизированное картографирование краевой области позволяет идентифицировать локальные изменения механических свойств приповерхностного слоя (твердости и модуля упругости) с пространственным разрешением порядка 3–5 мкм).
Пространственное разрешение зависит от выбранной нагрузки индентирования и, соответственно, расстояния между соседними измерениями с учетом критерия, при котором соседние измерения на влияют друг на друга. Показано, что повысить пространственное разрешение можно путем промера нескольких серий уколов, смещенных относительно соседних на величину, меньшую расстояния между уколами.
Полученные зависимости твердости от расстояния до режущей кромки позволяют определить глубину приповерхностного слоя, свойства которого были модифицированы в результате обработки. В частности, в данной работе показано, что микрофрезерная обработка стенок штампа фрезой не приводит к ее упрочнению, в то время как локальный лазерный нагрев существенно повышает твердость кромки по сравнению с твердостью в объеме материала (с 5,5±0,5 ГПа до 9,2±0,7 ГПа). При этом по полученным профилям твердости можно определить, что толщина приповерхностного слоя, в котором происходит изменение свойств, составляет 40 мкм. Данная информация может быть использована при отработке технологических процессов производства инструмента в качестве обратной связи при подборе режимов работы лазерных установок локальной термической обработки.
Работа выполнена в рамках выполнения государственного задания ФГБНУ ТИСНУМ на 2020 год.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Padmanabham G., Bathe R. Laser Materials Processing for Industrial Applications. Proc. Natl. Acad. Sci. India Sect. A – Phys. Sci. Springer India. 2018. V. 88. No. 3. PP. 359–374. https://doi.org/10.1007/s40010-018-0523-5.
Basu A., Chakraborty J., Shariff S.M., Padmanabham G., Joshi S.V., Sundararajan G., Majumdar J.D. and Manna I. Laser surface hardening of austempered (bainitic) ball bearing steel. Scr. Mater. 2007. V. 56. No. 10. PP. 887–890. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2007.01.029.
Kompanets V.O., Laptev V.B., Pigul’Skii S.V., Ryabov E.A., Chekalin S.V., Blank V.D., Denisov V.N., Kravchuk K.S., Kulnitskiy B.A., Perezhogin I.A. The formation of carbonic and silicon dioxide structured films through the decomposition of molecules on the surface of ionic crystals under the action of IR femtosecond laser radiation. Laser Phys. 2016. V. 26. No. 6. P. 066002. https://doi.org/10.1088/1054-660X/26/6/066002.
Koplak O., Kravchuk К., Useinov А., Talantsev A., Hehn M., Vallobra P., Mangin S., Morgunov R. Surface engineering of magnetic and mechanical properties of Ta/Pt/GdFeCo/IrMn/Pt heterostructures by femtosecond laser pulses. Appl. Surf. Sci. 2019. V. 493. PP. 470–477. https://doi.org/10.1016/j.apsusc. 2019.07.024.
Moradi M., Sharif S., Nasab S.J., Moghadam M.K. Laser Surface Hardening of AISI 420 Steel; Parametric Evaluation, Statistical Modeling and Optimization. Optik (Stuttg). 2020. P. 165666. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2020.165666.
Martínez S., Lamikiz A., Ukar E., Calleja A., Arrizubieta J.A., Lopez de Lacalle L.N. Analysis of the regimes in the scanner-based laser hardening process. Opt. Lasers Eng. 2017. V. 90. PP. 72–80. https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2016.10.005.
Maharjan N., Zhou W., Wu N. Direct laser hardening of AISI 1020 steel under controlled gas atmosphere. Surf. Coatings Technol. 2020. V. 385. P. 125399. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.125399.
Telasang G., Majumdar J.D., Padmanabham G., Manna I. Structure-property correlation in laser surface treated AISI H13 tool steel for improved mechanical properties. Mater. Sci. Eng. A. 2014. V. 599. PP. 255–267. https://doi.org/10.1016/j.msea.2014.01.083.
Maharjan N., Zhou W., Zhou Y., Guan Y., Wu N. Comparative study of laser surface hardening of 50CrMo4 steel using continuous-wave laser and pulsed lasers with ms, ns, ps and fs pulse duration. Surf. Coatings Technol. 2019. V. 366. PP. 311–320. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2019.03.036.
Telasang G., Majumdar J.D., Padmanabham G., Mann I. Wear and corrosion behavior of laser surface engineered AISI H13 hot working tool steel. Surf. Coatings Technol. 2015. V. 261. PP. 69–78. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2014.11.058.
Dinesh B.P., Buvanashekaran G., Balasubramanian K.R. Experimental studies on the microstructure and hardness of laser transformation hardening of low alloy steel. Trans. Can. Soc. Mech. Eng. 2012. V. 36. No. 3. PP. 241–257. https://doi.org/10.1139/tcsme-2012-0018.
Bingxu W., Yuming P., Yu L., Gary C.B., Feng Q., Ming H. Wear behavior of composite strengthened gray cast iron by austempering and laser hardening treatment. J. Mater. Res. Technol. 2020. V. 9. No. 2. PP. 2037–2043. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2019.12.036.
De A.K., Speer J.G., Matlock D.K., Murdock D.C., Mataya M.C., and Comstock Jr. R.J. Deformation-induced phase transformation and strain hardening in type 304 austenitic stainless steel. Metall. Mater. Trans. A Phys. Metall. Mater. Sci. 2006. V. 37. No. 6. PP. 1875–1886. https://doi.org/10.1007/s11661-006-0130-y.
Schubnell J., Pontner P., Wimpory R.C., Farajian M., Schulze V. The influence of work hardening and residual stresses on the fatigue behavior of high frequency mechanical impact treated surface layers. Int. J. Fatigue. 2020. V. 134. P. 105450. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2019.105450.
Schulze V., Bleicher F., Groche P., Guo Y.B., Pyun Y.S. Surface modification by machine hammer peening and burnishing. CIRP Ann. – Manuf. Technol. 2016. V. 65. No. 2. PP. 809–832. https://doi.org/10.1016/j.cirp. 2016.05.005.
Skazochkin A.V., Useinov A.S., Kislov S.V. Surface hardening of titanium alloy by minerals. Letters on Materials. 2018. V. 8. I. 1. 81–87. https://doi.org/10.22226/2410-3535-2018-1-81-87.
Гладких Е.В., Кравчук К.С., Усеинов А.С., Никитин А.А., Рогожкин С.В. Исследование влияния облучения ионами на механические свойства стали Eurofer 97. Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2019. № 1. С. 73–78. https://doi.org/10.1134/S1027451019010075.
Маслеников И.И., Усеинов А.С., Кравчук К.C., Косцова А.А., Решетов В.Н. Статистический учет влияния шероховатости на значения твердости, измеряемые при помощи метода инструментального индентирования. Физика твердого тела. 2018. Т. 60. № 11. С. 2219–2223. https://doi.org/10.1134/S1063783418110203.
Шаповалов В.И., Усеинов А.С., Кравчук К.С., Гладких Е.В., Козин А.А., Смирнов В.В. Кристаллическая структура и механические свойства пленок нитрида титана, синтезированных методом магнетроного распыления с горячей мишенью. Физика и химия стекла. 2017. Т. 43. № 5. С. 538–542. https://doi.org/10.1134/S1087659617050157.
Торская Е.В., Мезрин А.М., Морозов А.В., Усейнов А.С., Кравчук К.С., Фролов Н.Н. Сравнительное исследование трибологических свойств тонких покрытий на базе оксидов металлов на разных масштабных уровнях. Трение и износ. 2015. Т. 36. № 6. С. 699–705. https://doi.org/10.3103/S1068366615060161.
ГОСТ Р 8748-2011 (ИСО 14577-1:2002) Металлы и сплавы. Измерение твердости и других характеристик материалов при инструментальном индентировании.
Усеинов А., Кравчук К., Русаков А., Маслеников И., Красногоров И. Методы автоматизации измерений механических свойств в нанотвердомерах семейства "НаноСкан". НАНОИНДУСТРИЯ. 2016. № 7. С. 72–78. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2016.69.7.72.78.
Кравчук К., Усеинов А., Маслеников И., Перфилов С. Автоматизированный контроль параметров композитных изделий с помощью нанотвердомера "НаноСкан". Наноиндустрия. 2016. № 3. С. 54–58. DOI: 10.22184/1993-8578.2016.65.3.54.58.
Отзывы читателей
