THE INFLUENCE OF LASER EXPOSURE ON THE STATE OF HARDENED HIGH-SPEED STEEL Р6М5

D. I Tokarev; Токарев Д. И; A. A Drozdov; Дроздов А. А; E. A Morozov; Морозов Е. А; T. R Ablyaz; Абляз Т. Р; Yu. S Ivanova; Иванова Ю. С; I. S Polezhaev; Полежаев И. С

doi:10.15593/2224-9877/2019.4.04

THE INFLUENCE OF LASER EXPOSURE ON THE STATE OF HARDENED HIGH-SPEED STEEL Р6М5

Authors: Tokarev D.I¹, Drozdov A.A¹, Morozov E.A¹, Ablyaz T.R¹, Ivanova Y.S¹, Polezhaev I.S¹
Affiliations:
1. Perm National Research Polytechnic University
Issue: Vol 21, No 4 (2019)
Pages: 34-41
Section: ARTICLES
URL: https://ered.pstu.ru/index.php/mm/article/view/2982
DOI: https://doi.org/10.15593/2224-9877/2019.4.04
Cite item

Abstract
Full Text
About the authors
References
Statistics

Abstract

The article is devoted to the study of the effect of high-power laser action on the change of hardness and microstructure of hardened high-speed steel P6M5 to determine the possibility of heat treatment of this material by laser radiation. The laser beam impact on the end surface of the cutter from hardened high-speed steel P6M5 (63-65 HRC) was made at the Optomec LENS 850-R. The ytterbium fiber laser of constant action YLR-1000 (power 1 kW, wavelength 1070 nm) was used. The constant parameters of the laser treatment: beam diameter 2 mm (the area of the beam 0.0314 cm2); the passage speed 0.8 cm/s. The variable parameters of laser treatment: 1-st mode - a power density 12 kW/cm2 (power 376.8 W); 2nd mode - power density 16 kW/cm2 (power 502.4 W). Visually, at the end of the milling cutter there were tracks from the passage of the laser beam, having a clearly defined surface structure: a dark band width equal to the diameter of the laser beam 2 mm and a length equal to the length of the passage of the laser beam, which is surrounded by a light band width of 0.5 mm, which is then surrounded by a dark band width of 0.5 mm (cauterized). The zone of thermal impact of the laser beam on the depth of the material in micrographs has the form of a light round zone width, approximately equal to the diameter of the laser beam 2 mm, and a depth of 0.5 mm. Hardness measurements within the zone of laser exposure showed that the hardness of the hardened material of the milling cutter P6M5 on average decreased by 1-2 units HRC, that allows to draw a conclusion about the tempering of material. The study of the microstructure revealed that the decrease in hardness in the zone of thermal action occurred as a result of partial dissolution of tungsten carbides, while changes in the structure of martensite did not occur. Thus, the possibility of tempering of hardened high-speed steel P6M5 on a metal printer Optomec LENS 850-R by laser exposure is shown.

Keywords

Optomec LENS 850-R, laser, ytterbium fiber laser, metal printer, Optomec LENS 850-R, laser exposure, heat treatment, tempering, high speed steel, P6M5, heat treatment zone, cauterization, microstructure, hardness, tungsten carbides, martensite.

Full Text

Введение В настоящее время технологии лазерной обработки металлов находят все большее применение. На кафедре МТиКМ ПНИПУ ведутся работы по изучению технологии термообработки металлов с помощью лазерного излучения большой мощности с целью формирования необходимых физико-механических свойств и структурно-фазового состояния. Работы проводятся с использованием нового современного иттербиевого волоконного лазера постоянного действия, который имеет свои энергетические параметры, отличные от ранее использовавшихся для лазерной термообработки видов лазеров. В настоящее время процессы термообработки лазерным излучением в основном сконцентрированы на лазерной закалке, поэтому изучение возможности отпуска лазерным излучением, в частности закаленных быстрорежущих сталей, является актуальной научной задачей. Цель данной работы - исследование воздействия лазером постоянного действия большой мощности на изменение твердости и микроструктуры закаленной быстрорежущей стали Р6М5 для определения возможности проведения термообработки данного материала лазерным излучением. Обзор литературы Первые результаты исследований по лазерной закалке металлов в России появились в 1980-х годах [1]. В работах [2-6] разработаны основы технологии лазерной закалки быстрорежущих сталей. В работах [7-9] представлены сведения о лазерной закалке различных металлов, в основном конструкционных сталей. В работах [10-15] углубленно изучаются физические механизмы поверхностного упрочнения при лазерной закалке инструментальных и быстрорежущих сталей. В настоящее время научные работы в этой области продолжаются в связи с появлением новых марок обрабатываемых материалов, видов лазеров и технологий лазерной обработки [16-18]. Имеется большое число современных зарубежных научных работ по различным проблемам лазерной закалки сталей [19-26]. Большинство авторов в работах до 2010-х гг. использовали лазеры импульсного действия на основе кварца (SiO2), рубина (Al2O3), лазеры непрерывного действия на основе углекислого газа (CO2). Анализ работ показал, что большинство современных исследователей используют алюмо-иттриевые лазеры с легированием неодимом (Nd:YAG) импульсного действия [20, 21, 25]. При этом исследования лазерного воздействия иттербиевым волоконным лазером (Yb:YAG) постоянного действия (CW) отсутствуют. Также мало представлены исследования других видов термообработки, кроме закалки. С развитием технологий лазерной обработки металлов, в частности с появлением современных установок с лазерами большой мощности, появляются новые технологические возможности термической обработки металлов. Однако внедрение этих методов сдерживается отсутствием научной информации об их практическом применении. Актуальной проблемой остается изучение возможности отпуска с помощью лазерного воздействия закаленных быстрорежущих сталей. Ввиду этого в данной работе было исследовано влияние лазерного воздействия иттербиевым волоконным лазером (Yb:YAG) постоянного действия (CW) на состояние закаленной быстрорежущей стали Р6М5, широко применяемой для изготовления различных видов режущих инструментов. Преимущества проведения термической обработки путем лазерного воздействия по сравнению с традиционным методом нагрева в печи [1, 17, 22] заключаются в следующем: 1. Быстрота обработки. Скорость движения лазерного луча в среднем 0,01 м/с. Таким образом, обработка длится несколько минут (в печи много часов). 2. Локальное воздействие. Возможность обработки локального участка детали, при этом остальные поверхности детали остаются в исходном состоянии (в печи вся деталь подвергается воздействию, происходит термическое коробление геометрии детали). 3. Отсутствие обезуглероженного слоя (в печи все поверхности детали после обработки имеют обезуглероженный слой, даже при использовании специальных методов, например ванны солей BaCl2). Режущий инструмент из быстрорежущей стали Р6М5 поставляется в уже закаленном состоянии. Классическая схема термообработки быстрорежущей стали Р6М5 [27] состоит из изотермического отжига, закалки и трехкратного отпуска (рис. 1). Быстрорежущую сталь Р6М5 закаливают с температуры 1210-1230 °С [27]. Высокие значения температуры закалки необходимы для более полного растворения вторичных карбидов и получения при нагреве высоколегированного хромом, вольфрамом, молибденом и ванадием аустенита. Это обеспечивает получение после закалки мартенсита, устойчивого против отпуска, благодаря чему у быстрорежущей стали Р6М5 появляется теплостойкость. Для быстрорежущих сталей, имеющих много избыточных карбидов, характерно сохранение мелкого зерна даже при очень высоких значениях температуры закалки. После закалки следует трехкратный отпуск, вызывающий превращение остаточного аустенита в мартенсит и дисперсное отвердение за счет выделения карбидов. Рис. 1. Классическая схема термообработки быстрорежущей стали Р6М5: Фл - легированный феррит; К - карбид; М - мартенсит; Аост - остаточный аустенит Микроструктура закаленной быстрорежущей стали Р6М5 [28] состоит из легированного мартенсита, остаточного аустенита (до 30 %) и карбидов (рис. 2). После трехкратного отпуска при температуре 560 °С количество остаточного аустенита уменьшается до 2-3 %, твердость увеличивается [27]. Рис. 2. Структурно-фазовый состав быстрорежущей стали Р6М5 после закалки и трехкратного отпуска Лазерное излучение - это монохромный когерентный направленный поток фотонов с большой плотностью энергии. Лазерное излучение создает на обрабатываемой поверхности интенсивный источник тепла, в результате происходит резкий локальный нагрев в поверхностном слое металла. Поскольку источник тепла достаточно быстро движется, происходит также и быстрое охлаждение. Согласно источнику [29], при различных энерговременных параметрах лазерного воздействия, удельной мощности E (Вт/м2) и времени воздействия τ (с) происходят различные виды термической обработки (рис. 3). Приведенные параметры для процессов закалки и оплавления в целом соответствуют экспериментальным данным других исследователей [5-7]. Однако к приведенным параметрам для отжига имеется масса вопросов, связанных с классическими представлениями о физических особенностях процесса отжига [27], а именно с необходимостью длительной выдержки обрабатываемого материала при определенной высокой температуре (см. рис. 1). Рис. 3. Влияние энергии лазерного излучения на вид термообработки Таким образом, существует противоречие между данными источника [29] о возможности отжига с использованием лазерного излучения и данными источника [27] о необходимости проведения отжига при длительной выдержке при определенной высокой температуре. Таким образом, исследование влияния воздействия лазером постоянного действия большой мощности на изменение твердости и микроструктуры закаленной быстрорежущей стали Р6М5 для определения возможности проведения термообработки данного материала лазерным излучением является актуальной научной задачей. Методика эксперимента Для экспериментов выбрана цельная дисковая фреза из быстрорежущей стали Р6М5 диаметром 80 мм, шириной 3 мм. Воздействие лазерным лучом на торцевую поверхность фрезы производилось на установке Optomec LENS 850-R. Использовался иттербиевый волоконный лазер постоянного действия YLR-1000 (мощность 1 кВт, длина волны 1070 нм). Постоянные параметры лазерной обработки: диаметр пучка 2 мм (площадь пучка 0,0314 см2), скорость прохода 0,8 см/с. Переменные параметры лазерной обработки: 1-й режим - плотность мощности 12 кВт/см2 (мощность 376,8 Вт); 2-й режим - плотность мощности 16 кВт/см2 (мощность 502,4 Вт). Замеры твердости проводили на приборе для измерения твердости по методу Роквелла модели ТК-2. Образцы для металлографических исследований готовились в следующей последовательности. Из фрезы вырезали образец в форме параллелепипеда проволочным электродом на электроэрозионном проволочно-вырезном станке EcoCut Eleсtroniсa. Вырезанные образцы запрессовывались в бакелит на установке для горячего прессования Leco PR-4X. Рабочая поверхность образцов шлифовалась мелкозернистой наждачной бумагой зернистостью Р240, Р1000, Р2000 и полировалась до зеркального блеска пастой ГОИ № 2. Рабочая поверхность образцов травилась реактивом Обергоффера (соляная кислота - 3 мл, СuС12∙2Н2О - 0,2 г, FeСl2 - 3 г, SnCl2 - 0,1 г, спирт этиловый - 10 мл, вода - 100 мл; t = 20 °С; η = 2 мин). Микроструктуру образцов изучали на микроскопе OLYMPUS GX51. Результаты и обсуждение Материал фрезы из быстрорежущей стали Р6М5 после закалки и трехкратного отпуска должен составлять 63-65 HRC [27]. Замеры твердости в разных точках фрезы показали следующие значения HRC: 64, 65, 63, 64, 63, 64. Таким образом, значения твердости фрезы находятся в требуемых пределах. На торце фрезы визуально наблюдаются две дорожки от прохода лазерного луча: на 1-м режиме дорожка ближе к внешнему диаметру фрезы, на 2-м режиме дальше к центру фрезы (рис. 4). Дорожки визуально состоят из отпечатка лазерного пучка (диаметром, равным диаметру лазерного пучка 2 мм, и длиной, равной длине прохода лазерного пучка), который окружает светлая полоса шириной 0,5 мм, которую затем окружает темная полоса шириной 0,5 мм (прижег). Замеры твердости внутри зоны лазерного воздействия показали следующие результаты: 1-й режим - твердость имеет значения HRC: 61, 62, 64, 63, 63, 64; 2-й режим - твердость имеет значения HRC: 61, 62, 61, 63, 64, 62. Рис. 4. Дорожки от прохода лазерного луча на фрезе Р6М5 Таким образом, в результате воздействия лазерного луча твердость закаленной быстрорежущей стали Р6М5 в среднем снизилась на 1-2 единицы HRC, что позволяет сделать вывод о незначительной потере твердости в результате лазерного воздействия. Для изучения изменения структуры закаленной быстрорежущей стали Р6М5 в зоне лазерного воздействия по глубине из фрезы был вырезан образец поперек дорожек от прохода лазерного луча (см. рис. 4). В результате изучения микроструктуры зоны воздействия лазерного луча на закаленную быстрорежущую сталь Р6М5 можно отметить следующие наблюдения: 1. Зона термического воздействия лазерного луча по глубине материала наблюдается визуально. На микрофотографиях наблюдается светлая округлая зона шириной, примерно равной диаметру лазерного пучка 2 мм, и глубиной 0,5 мм. Далее по периметру светлой округлой зоны наблюдается темная полоса шириной 0,1 мм (прижег). Далее наблюдается основной материал (рис. 5). 2. При переходе из зоны основного металла в зону лазерного воздействия наблюдается уменьшение количества и размеров карбидов вольфрама (рис. 6). Карбиды в виде белых сфер представляют собой Fe3W3C [28]. Зернистость мартенсита после воздействия лазерным лучом не изменилась. Таким образом, можно сделать вывод, что незначительное уменьшение твердости закаленной быстрорежущей стали Р6М5 после воздействия лазерным лучом связано с частичным растворением карбидов вольфрама. 0,2 мм а 0,2 мм б Рис. 5. Зона воздействия лазерного луча по глубине материала: а - 1-й режим (плотность мощности 12 кВт/см2); б - 2-й режим (плотность мощности 16 кВт/см2) 0,05 мм Рис. 6. Микроструктура материала фрезы Р6М5 Таким образом, в результате экспериментов установлено, что при воздействии лазерным лучом на закаленную быстрорежущую сталь Р6М5 произошло снижение твердости в среднем на 1-2 единицы HRC (отпуск) в результате частичного растворения карбидов вольфрама. Мартенсит сохранился без существенных изменений. Заключение На основании проведенного исследования можно сделать следующие выводы: 1. Показана возможность проведения отпуска закаленной быстрорежущей стали Р6М5 иттербиевым волоконным лазером (Yb:YAG) постоянного действия (CW). 2. Установлено, что исходная твердость 63-65 HRC закаленной быстрорежущей стали Р6М5 снизилась на 1-2 единицы HRC (отпуск) в результате воздействия лазерного луча с параметрами: диаметр пучка 2 мм (площадь пучка 0,0314 см2), скорость прохода 0,8 см/с, плотность мощности 12-16 кВт/см2 (мощность 376,8-502,4 Вт). Снижение твердости в зоне термического воздействия произошло в результате частичного растворения карбидов вольфрама. Изменения структуры мартенсита не произошло. 3. Зона термического воздействия лазерного луча по глубине материала на микрофотографиях имеет вид светлой округлой зоны шириной, примерно равной диаметру лазерного пучка 2 мм, и глубиной 0,5 мм. Далее по периметру светлой округлой зоны наблюдается темная полоса шириной 0,1 мм (прижег), далее наблюдается основной материал.

About the authors