New Technologies of Laser Hardening of Parts of Fuel Equipment

Abstract

Лазерне термічне зміцнення сталі (лазерне гартування) полягає у нагріванні вище температури фазових переходів ділянки поверхні сталі лазерним випромінюванням з подальшим швидким охолодженням за рахунок Для лазерного гартування найбільш доцільно використовують газові CO2-лазери, твердотільні (в основному Nd:YAG) та волоконні лазери потужністю від 0,5 кВт. Оптичні системи розгортання та сканування променю дозволяють з максимальною ефективністю зміцнювати великі ділянки поверхні. Вимірювальний та різальний інструмент, деталі паливної апаратури, форсунки насосів зазнають значного абразивного зношування окремих невеликих ділянок. Для їхньої обробки можна використовувати менш потужні лазери. Немає результатів використання імпульсних лазерів малої потужності (до 20 Вт) для поверхневого зміцнення сталевих виробів. Метою даної роботи є визначення режимів поверхневого зміцнення деталей та інструментів із вуглецевих та легованих сталей з використанням малопотужних твердотільних імпульсних YAG-лазерів.Для лазерного загартування використовувався твердотільний YAG-лазер потужністю 5 Вт (діодне накачування, довжина хвилі випромінювання = 1,064 мкм, імпульсний режим). Використання нелінійного кристала дозволило отримати УФ-випромінювання з λ = 0,355 мкм (третя гармоніка). Були досліджені обробка за допомогою одиночних імпульсів та багатоімпульсна обробка короткими імпульсами. Термічне зміцнення проводилося на вуглецевих та легованих сталях різного складу: 20, 45, У12, Р6М5, Р9, ШХ15, конструкційних та інструментальних за призначенням. Можливість зміцнення УФ-випромінюванням була оцінена на сталях 20, 45, У12 та ШХ15. Ефективність лазерного зміцнення оцінювали за вимірюванням мікротвердості. Для поверхневого зміцнення виробів, де можливе часткове плавлення поверхні можуть використовуватися лазери малої потужності в імпульсному режимі. Лазерне загартування ультрафіолетовим випромінюванням є перспективним напрямом для термічного зміцнення сталей без плавлення поверхні. Гартування лазером малої потужності доцільне для зміцнення деталей паливної апаратури.

Laser thermal hardening of steel (laser hardening) consists in heating a section of the steel surface above the phase transition temperature by laser radiation, followed by rapid cooling due to heat removal. As a result of this treatment, martensite is formed – a saturated solid carbon solution in α-iron. For laser hardening, gas CO2 lasers, solid-state (mainly Nd:YAG) and fiber lasers with a power of 0.5 kW or more are most often used. Optical systems for deploying and scanning the beam allow you to harden large areas of the surface with maximum efficiency. Not all products need processing of significant areas. Measuring and cutting tools, parts of fuel equipment, pump injectors are subject to significant abrasive wear of individual small areas. Less powerful lasers can be used to process them. There are no results of using low power pulsed lasers (up to 20 W) for surface hardening of steel products. The purpose of this work is to determine the modes of surface hardening of parts and tools made of carbon and alloy steels using low power pulsed solid-state YAG lasers. For laser hardening, a solid-state YAG laser with a power of 5 W (diode pumping, radiation wavelength = 1.064 µm, pulsed mode) was used. The use of a nonlinear crystal made it possible to obtain UV radiation from λ = 0.355 µm (third harmonic). Processing with single pulses and multi-pulse processing with short pulses were investigated. Thermal hardening was carried out on carbon and alloy steels of various compositions: 20, 45, У12, Р6M5, Р9, ШХ15, structural and tool steels for the purpose. The possibility of hardening by UV radiation was evaluated on steels 20, 45, У12 and ЩХ15. The efficiency of laser thermal hardening was evaluated by measuring microhardness. For surface hardening of products, where partial melting of the surface is possible, low-power pulsed lasers can be used. Laser hardening by UV radiation is a promising direction for thermal hardening of steels without surface melting. Hardening with a low-power laser is expedient for hardening parts of fuel equipment.