Adaptation of structures of steel laser hardening zones to friction conditions

Introduction. The structural state of the surface layers of engineering products manufactured through laser processing under various irradiation modes is considered. Structures with the highest possible stability with respect to external action under friction conditions, or with the possibility of optimal adjustment and additional hardening during operation by the formation of secondary structures, were implemented. Under the operating conditions, under the impact of mechanical and thermal pulses, an express rearrangement of one structure to another occurs, which is stable at a higher level of load-speed conditions. Thus, the phenomenon of structural-energy adaptability is realized. The resulting adapt-able structures most efficiently dissipate the energy introduced into the tribosystem, and minimize the wear of friction pairs.

Materials and Methods. We studied samples of P6M5 steel using the following equipment:

• Kvant-16 processing station with a power density of 100 MW/m² for pulsed laser irradiation of samples;

• Neophot-21 optical microscope for metal physical studies;

• DRON-0.5 diffractometer for phase composition identification.

Results. It is established that the material of the samples after laser treatment is able to efficiently dissipate the energy supplied during friction through its transformations at various structural levels. As a result, it becomes possible to control the surface strength and wear resistance of materials using the concept of structural adaptability of friction pairs, which extends their range of performance. Wear resistance of the irradiated steels is determined by both their initial hardness and the work-hardenability during friction. It is established that the thermal-strength loading of the steel sur-face irradiated layers during friction destabilizes austenite to the γ→α transformation, i.e., it contributes to its transformation into deformation martensite.

Discussion and Conclusions. In relation to the specific loading conditions, it is required to regulate the amount and degree of stability of the residual austenite in laser-hardened steels and alloys, which provides the necessary operational properties.

1. Гинберг, А. М. Износостойкие и антифрикционные покрытия / А. М. Гинберг, А .Ф. Иванов. ― Москва : Машиностроение, 1982. ― 42 с.

2. Кравченко, Г. Н. Влияние пластического деформирования дробью и циклического нагружения на свойства поверхностного слоя стали 30ХГСН2А / Г. Н. Кравченко, В. В. Алексеев // Металловедение и термическая обработка металлов. ― 1986. ― № 9. ― С. 23–25.

3. Григорьянц, А. Г. Методы поверхностной лазерной обработки / А. Г. Григорьянц, А. Н. Сафонов. ― Москва : Высшая школа, 1987. ― 191 с.

4. Макклинток, Ф. Деформация и разрушение материалов / Ф. Макклинток, А. Аргон. ― Москва : Мир, 1970. ― 443 с.

5. Панин, В. Е. Структурные уровни деформации твердых тел / В. Е. Панин, В. А. Лихачев, Ю. В. Гриняев. ― Новосибирск : Наука, 1985. ― 226 с.

6. Любарский, И. М. Металлофизика трения / И. М. Любарский, Л. С. Палатник. ― Москва : Металлургия, 1976. ― 175 с.

7. Рыбакова, Л. М. Металловедение в науке о трении и изнашивании / Л. М. Рыбакова, Л. И. Куксенова // Металловедение и термическая обработка металлов. ― 1985. ― № 5. ― С. 16–23.

8. Марченко, Е. А. О природе разрушения поверхности металлов при трении / Е. А. Марченко. ― Москва : Наука, 1979. ― 117 с.

9. Горбач, В. Г. Мартенситно-аустенитные стали как эффективный инструментальный и конструкционный материал / В. Г. Горбач, И. В. Сидорук, Е. А. Измайлов // Металловедение и термическая обработка метал-лов. ― 1988. ― № 8. ― С. 9–12.

10. Бровер, А. В. Стpуктуpные особенности пpоцесса повеpхностного упpочнения стали концентpиpованными потоками энергии / А. В. Бровер // Материаловедение. ― 2005. ― № 9. ― С. 18–23.

11. Бровер, А В. Комплекс механизмов упрочнения металлических материалов при импульсной лазерной обработке / А. В. Бровер // Перспективные материалы. ― 2008. ― № 1. ― С. 63–69.

12. Бровер, А. В. Эффекты структурно-энергетической приспосабливаемости поверхностно термоупрочненной стали при трении / А. В. Бровер // Упрочняющие технологии и покрытия. ― 2006. ― № 5. ― С. 43–47.

13. Тушинский, Л. И. Теория и технология упрочнения металлических сплавов / Л. И. Тушинский. ― Новосибирск : Наука, 1990. ― 305 с.

14. Серебряков, В. Г. Влияние деформации на механические свойства двухфазной аустенитно-мартенситной стали / В. Г. Серебряков, Э. И. Эстрин // Физика металлов и металловедение. ― 1992. ― № 2. ― С. 130–133.

15. Малинов, Л. С. Влияние метастабильного остаточного аустенита на механические свойства стали Х12М / Л. С. Малинов, А. П. Чейлях // Металловедение и термическая обработка металлов. ― 1988. ― № 8. ― С. 12–15.

16. Бернштейн, М. Л. Структура и субструктура аустенита, образующегося при нагреве закаленных и термомеханически упрочненных сталей / М. Л. Бернштейн, Л. М. Капуткина, С. Д. Прокошкин // Физика металлов и металловедение. ― 1982. ― Т. 54, № 6. ― С. 150–157.

17. Буше, Н. А. Совместимость трущихся поверхностей / Н. А. Буше, В. В. Копытько. ― Москва : Наука, 1981. ― 127 с.

18. Белый, А. В. Структура и методы формирования износостойких поверхностных слоев / А. В. Белый, Г. Д. Карпенко, Н. К. Мышкин. ― Москва : Машиностроение, 1991. ― 207 с.

19. Бекренев, А. Н. Самоорганизация металлической системы при ее неквазистационарной релаксации / А. Н. Бекренев, А. Ю. Безуглов // Физика и химия обработки материалов. ― 1995. ― № 2. ― С. 122–127.

20. Портной, К. И. Дисперсноупрочненные материалы / К. И. Портной, Б. Н. Бабич. ― Москва : Металлургия, 1974. ― 199 с.

21. Попов, А. А. Влияние деформации на выделение карбида М23С6 в аустенитной стали / А. А. Попов, В. М. Фарбер, Б. М. Бронфин // Физика металлов и металловедение. ― 1974. ― Т. 38, № 2. ― С. 337–343.