состав оксидов зоны лазерного импульсного

воздействия на поверхность инструментальных сталей и их влияние на работоспособность режущего инструмента

 

Яресько С.И. (СФ ФИАН, Самара, РФ)

 

Представлены результаты металлофизических исследований по обоснованию режимов и условий лазерного упрочнения и обработки упрочненным режущим инструментом.

The results of metal-physical investigations on substantiation of regimes and conditions of a laser hardening and machining by the hardened cutting tool are presented.

Ключевые слова: лазерная обработка, инструментальная сталь, окисная пленка, металлофизические исследования, изнашивание инструмента

Keywords: laser treatment, tool steel, oxide film, metal-physical investigations, tool wear out

 

Введение

Обеспечение максимальной износостойкости металлообрабатывающего инструмента при различных условиях нагружения при обработке деталей резанием – одна из важнейших проблем современного машиностроения. Целенаправленно формировать состав поверхностного слоя инструментальных сталей и тем самым регулировать характеристики процесса резания (в том числе и величину коэффициента трения в зоне контакта) позволяет лазерная импульсная обработка. Воздействие на поверхность сложнолегированных сталей лазерного излучения приводит к существенному изменению состава поверхности. В случае сложнолегированных сталей состав поверхностных слоев изделий из них на глубине до 100 не совпадает с объемным, не смотря на малое содержание легирующих элементов и примесей в сталях, их содержание на поверхности может быть преобладающим и меняться в зависимости от температурной обработки и газовой среды. Взаимное влияние элементов при формировании состава поверхностного слоя сказывается на ряде физических характеристик поверхности, в том числе на ее фрикционных свойствах. На износостойкость инструмента и параметры процесса резания в значительной степени также влияют полиоксидные структуры, формирующиеся на контактных поверхностях инструмента, как вследствие модификации физико-химического состояния его поверхности, так и образующиеся естественным путем при резании на воздухе. Наиболее существенно влияние оксидов зоны лазерного воздействия (ЗЛВ) при решении прикладных задач по лазерному упрочнению инструмента при выборе режимов и условий лазерной обработки (ЛО).

Цель настоящей работы – исследование состава поверхности инструментальных сталей после импульсной ЛО на воздухе и анализ влияния образующихся на поверхности ЗЛВ окисных пленок на эксплуатационные свойства упрочненного режущего инструмента.

Результаты и их обсуждение

Для определения состава оксидов ЗЛВ на инструментальных сталях Р6М5 и 9ХС, поверхностного элементного анализа, толщины пленок, их расположения относительно материала основы в работе использованы методы электрохимического анализа, Оже- и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии.

Электрохимическим методом показано, что состав и толщина оксидных пленок поверхности ЗЛВ инструментальных сталей при упрочнении на режимах без оплавления поверхности зависят от химического состава этих сталей. При ЛО стали Р6М5 (плотность энергии e@2,7-2,8Дж/мм2) на ее поверхности формируется многослойная оксидная пленка (рис. 1) сложного состава (MoO3+WO3+Fe3O4) толщиной ~ 200 нм, тогда как в хромистой стали 9ХС образуется монослойная оксидная пленка Fe3O4 толщиной менее 200 нм. Экспериментальное значение толщины оксидов на поверхности ЗЛВ находится в хорошем согласовании с расчетной оценкой толщины пленки Fe3O4, полученной в приближении описания кинетики окисления параболическим законом Вагнера. Для характерных времен лазерного нагрева (t=10-2c) и температуры в зоне обработки (T~1280°C) предельное значение толщины пленки Fe3O4, ограниченное диффузионными процессами, составляет ~ 145 нм.

Рисунок 1 – Потенциалы восстановления оксидов на поверхности стали Р6М5 после ЛО

 

Для уточнения состава поверхности ЗЛВ сталей ст.45, 9ХС и Р6М5 использован метод Оже-спектроскопии. При вариации режимов ЛО (e»1,8… 2,8 Дж/мм2) установлено, что ЛО приводит к изменению, как химической связи на поверхности (рис. 2), так и поверхностного элементного состава. Для спектров обработанных поверхностей Fe M23VV – оже-линия расщеплена на две компоненты, одна из которых ближе к 41 эВ, а другая - к 53 эВ (рис. 2б), что характерно для окисленного железа. По соотношению интенсивностей линий дуплета для спектров поверхностей, полученных после ЛО с различной плотностью энергии, можно сказать, что на каждой обработанной поверхности (независимо от режима ЛО) есть участки со степенью окисления FeO и Fe2O3.

Анализ изменения концентраций элементов по глубине и энергетическое расположение оже-линий кислорода, Cr, Mo и W свидетельствуют об образовании после ЛО на поверхности сталей 9ХС и Р6М5 окислов данных элементов и их положении относительно материала основы. Исследования показали, что с ростом величины e увеличивается содержание окислов FeO, Fe2O3 и высших окислов Cr, Mo и W и изменяется их количественное соотношение по глубине.

Подпись:  	 
а – спектр исходной поверхности;
б – спектр облученной поверхности (e»1,8-2,0 Дж/мм2) (присутствует Fe2O3)
Рисунок 2 – Расщепление Fe M23VV – оже-линии (сталь Р6М5)

Учитывая данные Оже-спектроскопии и результаты электрохимического анализа состава окисной пленки, сформированной на инструментальных сталях при лазерном импульсном нагреве, можно сделать предположение о структуре пленки и расположении образующихся оксидов металлов относительно материала основы. Из того, что метод Оже-спектроскопии является методом локального поверхностного анализа, а электрохимический метод позволяет получать усредненные по всему стравливаемому слою данные, следует, что образующаяся при ЛО окисная пленка является многослойной и многокомпонентной. В поверхностном слое на границе раздела пленка – воздух расположены участки окислов железа (FeO и Fe2O3) и высшие окислы легирующих элементов (Cr, W, Mo). Ближе к слою исходного материала основу пленки составляет Fе3O4. С другой стороны, для обеспечения максимальной адгезии окисной пленки с основным металлом должен осуществляться постепенный переход по глубине от состояния железа с высшей степенью окисления на поверхности к состоянию металлического железа. Установленное расположение окислов удовлетворяет этому условию. Оксидные пленки, образующиеся на сталях при импульсной ЛО, имеют переменный по толщине состав без явно выраженных границ между оксидами различной валентности и металлом.

Данные Оже-спектроскопии для обеих сталей хорошо согласуются с данными рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС), в частности по обогащению поверхности стали 9ХС молибденом, а стали Р6М5 молибденом и вольфрамом, а также c тем, что содержание молибдена и вольфрама увеличивается с глубиной анализа.

По данным РФЭС модифицированный лазерным излучением слой в стали Р6М5 состоит из нескольких подслоев. Основную роль в этих подслоях играет железо, имеющее наибольшее абсолютное концентрационное значение металлической компоненты в поверхностном слое. Оксид Fe3O4 является основным компонентом окисленного слоя стали 9ХС, в то время как в стали Р6М5 слои с оксидом Fe3O4 замещаются слоями с оксидом Fe2O3. Последний подслой непосредственно перед металлическим железом представляет собой оксид Fe3O4.

Существенное влияние на изнашивание упрочненного режущего инструмента (РИ) образующихся в ЗЛВ окисных пленок металлов подтверждено в результате комплекса экспериментов, включающего стойкостные, модельные и ускоренные испытания инструмента. Установлено, что ЛО позволяет управлять процессом изнашивания инструмента. Так, для неупрочненных резцов среднее время достижения износа на задней поверхности равного 0,15 мм составляет ~26-30мин, для резцов, упрочненных в среде инертного газа ~12-18мин, для резцов, упрочненных на воздухе ~8-15мин (рис. 3). В наибольшей степени (в 2-3 раза) время достижения фиксированной величины износа на участке приработки уменьшается после ЛО на воздухе по передней режущей поверхности резцов, когда в зоне контакта стружки с резцом присутствует окисная пленка. Эта пленка при резании выполняет роль твердой смазки, вследствие чего уменьшается адгезионная составляющая коэффициента трения на передней поверхности инструмента и площадь контакта стружки с резцом, что приводит к увеличению удельного давления и последующему сокращению времени приработки. Длина пластического контакта стружки с резцом уменьшается ~ на 20%, усадка стружки на 15-20%, а среднеквадратичное отклонение усадки – почти в 3 раза.

Рисунок 3 – Линейный износ резцов из стали Р9К5 при точении заготовок из стали 12Х2Н4А

 

Об увеличении стабильности свойств упрочненной поверхности в зоне контакта инструмент-деталь свидетельствуют результаты модельных испытаний, в которых изучалась топография поверхности износа при высоком значении давления в зоне трения (на примере контактной пары Р18 – 12Х2Н4А, Pуд.~490 МПа). Для необлученных образцов установлена высокая нестабильность процесса трения. Последнее проявляется в существенной неравномерности распределения островков схватывания по поверхности контакта. Площадь контакта, количество налипшего металла значительно превосходят аналогичные значения, наблюдаемые на поверхности износа после ее предварительной ЛО, при этом визуально (по цветам побежалости) фиксируется неравномерность распределения температур в зоне контакта. Для облученных образцов эти эффекты наблюдаются в меньшей степени, а именно: распределение налипшего металла на поверхность контакта существенно более равномерно, высота нароста ниже, чем для необлученных образцов.

Численный анализ результатов стойкостных испытаний свидетельствует о существенном влиянии условий и режимов ЛО на изнашивание упрочненного инструмента. После ЛО на воздухе по передней поверхности скорость линейного изнашивания составляет 0,1 мм/мин. После обработки в среде Ar - ~ 0,04 ...0,06 мм/мин. Для неупрочненного инструмента процесс приработки происходит со скоростями в 3...5 раз меньшими, чем для резцов, обработанных на воздухе по передней поверхности. Режимы ЛО, обеспечивающие сокращение времени достижения фиксированной величины износа на участке приработки, рекомендуется использовать для упрочнения РИ, работающего в составе станков с ЧПУ, металлообрабатывающих центров и автоматизированных линий.

При изучении скорости изнашивания инструмента (Р9К5 – 12Х2Н4А) в зависимости от скорости резания, установлено, что практически при всех исследовавшихся режимах точения ЛО на воздухе (e@2,7 Дж/мм2) минимизирует линейный износ инструмента, обеспечивая стабильное изнашивание в широком диапазоне скоростей резания (рис. 4): от 30 м/мин до 50 м/мин (кривая 1) и от 30 м/мин до 56 м/мин (кривая 2). В то время как для неупрочненного инструмента и резцов после ЛО в среде Ar минимальные значения скоростей изнашивания локализованы в более узком диапазоне (кривые 3 и 4), причем для неупрочненного инструмента характерны большие значения скоростей изнашивания.

Рисунок 4 – Изменение скорости линейного изнашивания резцов от скорости резания: 1, 2 – ЛО на воздухе;  3 – ЛО в среде Ar;  4 – без ЛО; 1, 3, 4 – S=0,2мм/об, t=1,5мм; 2 – S=0,2мм/об, t=2,0мм

 

Выводы

1. Лазерная импульсная обработка на воздухе инструментальных сталей при режимах, соответствующих температуре закалки, приводит к образованию многокомпонентной окисной пленки на поверхности ЗЛВ. В поверхностном слое, примыкающем к границе раздела пленка – воздух, она состоит из локальных участков FeO и Fe2O3 и высших окислов легирующих элементов (Cr, W, Mo) в зависимости от их содержания в составе стали, а на глубине ближе к исходному материалу основу пленки составляет Fе3O4. Интегральная толщина многослойной пленки по разным оценкам не превышает 0,20 мкм.

2. Для инструментальных сталей 9ХС и Р6М5 наблюдается существенное перераспределение концентраций легирующих элементов по глубине зоны ЛО по сравнению с объемом, в поверхностном слое возрастает содержание хрома, вольфрама и молибдена. Данный эффект определяет состав образующихся оксидов и их расположение относительно материала основы.

3. Многокомпонентная окисная пленка, образующаяся на поверхности ЗЛВ при импульсной лазерной обработке, оказывает существенное влияние на интенсивность и стабильность изнашивания упрочненного инструмента.

4. Лазерная обработка инструмента, изготовленного из быстрорежущих сталей, приводит к расширению диапазона режимов резания, при котором достигается его наименьший износ. Упрочнение на воздухе обеспечивает стабильное изнашивание инструмента в широком диапазоне скоростей резания. Минимизирует интенсивность износа упрочненного инструмента.