Pomen površinskega utrjevanja za-hitrorezna jekla
Hitro{0}}rezno jeklo (HSS) se zaradi svoje odlične rdeče trdote, žilavosti in odpornosti proti obrabi pogosto uporablja pri izdelavi rezalnih orodij, orodij in strojnih komponent. Vendar pa je v ekstremnih delovnih pogojih-, kot so visoko-hitrost rezanja, ponavljajoči se udarci in trenje-površina HSS komponent nagnjena k obrabi, oksidaciji in poškodbam zaradi utrujenosti, kar omejuje njihovo življenjsko dobo. Lasersko utrjevanje kot tehnologija natančne površinske toplotne obdelave se je izkazalo kot učinkovit način za izboljšanje površinske učinkovitosti HSS. Z lokalnim segrevanjem površine HSS na temperaturo avstenitizacije z usmerjenim laserskim žarkom in zanašanjem na hitro toplotno prevodnost podlage za samo-kaljenje tvori martenzitno plast z visoko-trdoto, ne da bi bistveno vplivala na mehanske lastnosti mase. Raziskovanje učinka laserskega utrjevanja na površinske lastnosti HSS je ključnega pomena za optimizacijo postopka, izboljšanje zanesljivosti komponent in razširitev obsega uporabe HSS v-industrijah z velikim povpraševanjem.
Vpliv na trdoto površine in odpornost proti obrabi
Lasersko kaljenje bistveno izboljša površinsko trdoto in odpornost proti obrabi hitro{0}}reznega jekla. Pri optimalnih procesnih parametrih (moč laserja 1–5 kW, hitrost skeniranja 1–5 m/min) lahko površinska trdota HSS (npr. W6Mo5Cr4V2) doseže 65–70 HRC, kar je 10–15 % več kot pri tradicionalni toplotni obdelavi. To pripisujejo nastanku drobno{17}}zrnatega martenzita in zadrževanju prenasičenega ogljika v martenzitni mreži med hitrim laserskim segrevanjem in kaljenjem. Gosta martenzitna struktura zmanjša plastično deformacijo površine pod trenjem, medtem ko trdi karbidi (npr. MC, M6C), ki se izločijo pri popuščanju, dodatno povečajo odpornost proti obrabi. Preskusi obrabe kažejo, da imajo lasersko -kaljena rezalna orodja HSS življensko dobo 2–3-krat daljšo od nekaljenih, pri čemer se obrabni mehanizem spremeni iz adhezivne v blago abrazivno obrabo, kar učinkovito zmanjša izgubo materiala med uporabo.
Vpliv na površinsko mikrostrukturo
The surface microstructure of high-speed steel undergoes significant transformation after laser hardening. Before hardening, HSS typically consists of pearlite, ferrite, and coarse carbides. During laser hardening, the rapid heating (heating rate up to 104–105 °C/s) causes the pearlite and ferrite to quickly transform into austenite, while the coarse carbides partially dissolve into the austenite. The subsequent rapid quenching (cooling rate >103 stopinje /s) zavira difuzijo atomov ogljika, kar vodi do tvorbe finega igličastega martenzita namesto grobega martenzita, ki nastane pri tradicionalni toplotni obdelavi. Poleg tega so neraztopljeni fini karbidi enakomerno porazdeljeni v martenzitni matrici in delujejo kot "ojačitvene faze", da ovirajo gibanje dislokacij. Toplo{3}}območje (HAZ) lasersko-kaljenega HSS je ozko (le 0,5–2 mm), mikrostruktura pa gladko prehaja iz utrjene plasti v osnovni material, s čimer se izognemo strukturnim napakam, kot so razpoke, in zagotovimo celovitost komponente.
Vpliv na površinsko preostalo napetost in zmogljivost pri utrujenosti
Lasersko utrjevanje uvaja tlačno preostalo napetost na površino hitro{0}}hitroreznega jekla, kar je koristno za izboljšanje odpornosti proti utrujenosti. Hitro segrevanje in ohlajanje med postopkom povzroči razlike v toplotnem raztezanju in krčenju med površinsko plastjo in podlago: površinska plast se pri segrevanju razširi in je omejena s hladno podlago, kar po ohlajanju ustvarja tlačno napetost. Velikost površinske tlačne preostale napetosti lahko doseže -300 do -600 MPa, kar izravna natezno napetost, ki nastane med obratovanjem, in zmanjša nastanek in širjenje utrujenostnih razpok. Preizkusi utrujenosti dokazujejo, da imajo lasersko utrjene HSS komponente mejo utrujenosti povečano za 20–30 % v primerjavi z nekaljenimi komponentami. Vendar pa lahko neustrezni procesni parametri (npr. pretirana laserska moč, prenizka hitrost skeniranja) privedejo do prekomerne toplotne obremenitve, kar ima za posledico natezno preostalo napetost ali celo površinske razpoke, kar negativno vpliva na odpornost proti utrujenosti. Zato je optimizacija procesa ključnega pomena za zagotovitev ugodne porazdelitve preostale napetosti.
Zaključek: Celovita ocena in obeti za prihodnost
Lasersko kaljenje ima pozitiven in pomemben učinek na površinske lastnosti hitro{0}}hitroznega jekla, saj celovito izboljša površinsko trdoto, odpornost proti obrabi in odpornost proti utrujenosti z uravnavanjem površinske mikrostrukture in uvedbo tlačne preostale napetosti. Odpravlja omejitve tradicionalne toplotne obdelave (npr. velika HAZ, neenakomerna trdota) in zagotavlja natančen in učinkovit način za izboljšanje storitvene učinkovitosti HSS komponent. Prihodnje raziskave bi se morale osredotočiti na optimizacijo procesnih parametrov laserskega utrjevanja za različne vrste HSS (npr. HSS iz prašne metalurgije) in kombiniranje laserskega utrjevanja z drugimi tehnologijami modifikacije površine (npr. PVD prevleka, nitriranje), da bi dosegli sinergijsko izboljšanje površinskih lastnosti. Z razvojem inteligentnih laserskih sistemov bosta spremljanje-v realnem{10}}času in prilagodljivi nadzor procesa utrjevanja še izboljšala stabilnost izboljšanja površinskih lastnosti, kar bo spodbujalo širšo uporabo lasersko{11}}kaljenega HSS-ja na visoko{12}}proizvodnih področjih.
