blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2023-6-688-695blackmet-2657Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEСтруктура и износные характеристики чугуна после лазерной модификации поверхностиStructure and wear characteristics of cast iron after laser surface modificationhttps://orcid.org/0000-0001-5299-886XЯреськоС. И.Yares’koS. I.

Сергей Игоревич Яресько, д.т.н., заведующий лабораторией лазерно-индуцированных процессов, старший научный сотрудник

Россия, 443011, Самара, ул. Ново-Садовая, 221

Sergei I. Yares’ko, Dr. Sci. (Eng.), Head of the Laboratory of Laser-Induced Processes, Senior Researcher

221 Novo-Sadovaya Str., Samara 443011, Russian Federation

yarsi54@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-4329-3619ГусеваГ. В.GusevaG. V.

Галина Валентиновна Гусева, инженер-технолог

Россия, 443011, Самара, ул. Ново-Садовая, 221

Galina V. Guseva, Engineer-Technologist

221 Novo-Sadovaya Str., Samara 443011, Russian Federation

guseva_g.v@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0602-7717ЩербаковВ. И.ShcherbakovV. I.

Владимир Иванович Щербаков, инженер-исследователь

Россия, 443011, Самара, ул. Ново-Садовая, 221

Vladimir I. Shcherbakov, Research Engineer

221 Novo-Sadovaya Str., Samara 443011, Russian Federation

vladimir@fian.smr.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7816-9696КазакевичП. В.KazakevichP. V.

Павел Владимирович Казакевич, к.ф.-м.н., старший научный сотрудник

Россия, 443011, Самара, ул. Ново-Садовая, 221

Pavel V. Kazakevich, Cand. Sci. (Phys.-Math.), Senior Researcher

221 Novo-Sadovaya Str., Samara 443011, Russian Federation

morteus@yandex.ruСамарский филиал Физического института им. П.Н. Лебедева РАНРоссияSamara Branch of Lebedev Physical Institute, Russian Academy of SciencesRussian Federation202329122023666688695Copyright © Яресько С.И., Гусева Г.В., Щербаков В.И., Казакевич П.В., 20232023Яресько С.И., Гусева Г.В., Щербаков В.И., Казакевич П.В.Yares’ko S.I., Guseva G.V., Shcherbakov V.I., Kazakevich P.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/2657

Представлены результаты исследований макро- и микроструктуры легированного хромованадиевого чугуна после лазерной обработки (ЛО) на воздухе с использованием непрерывного лазерного источника при вариации его мощности от 60 до 100 Вт и скорости сканирования лазерного луча, изменяющейся от 5 до 17 мм/с. Методами металлографии и дюрометрии определены состав и структура зон лазерного воздействия (ЗЛВ). Лазерная обработка с незначительным оплавлением поверхности приводит к существенному росту микротвердости в ЗЛВ. В поверхностном слое ЗЛВ в зоне оплавления основной структурой является мартенсит, а в зоне закалки превалирует ледебуритная структура. Для исследованных режимов ЛО глубина ЗЛВ составляет 220 ‒ 310 мкм. При этом микротвердость более чем в 2,5 ‒ 4,2 раза больше микротвердости основного металла (820 HV0,1), что является существенным фактором повышения износостойкости материала. При лазерной обработке без оплавления поверхности существенных изменений структуры не установлено. Для выявления роли ЛО в изнашивании чугуна проводили испытания на трение скольжения по схеме «диск ‒ палец» при давлении в зоне контакта 12,5 МПа и скорости вращения индентора 580 об/мин. По данным испытаний установлено значительное уменьшение линейного износа и интенсивности изнашивания после ЛО с оплавлением поверхности. Интенсивность изнашивания уменьшается более чем в 100 раз, а линейный износ более чем в 50 раз. Характеристики поверхности ЗЛВ обуславливают уменьшение коэффициента трения на 30 % по сравнению с необработанной поверхностью.

The paper presents the results of studies of macro- and microstructure of alloyed chromium-vanadium cast iron after laser treatment (LT) in air using a continuous laser source with a variation in its power from 60 to 100 W and scanning speed of the laser beam varying from 5 to 17 mm/s. Metallography and durometry methods were used to determine composition and structure of the laser exposure zones (LEZ). It is shown that LT with a slight melting of the surface leads to a significant increase in microhardness in LEZ. In this case, martensite is the main structure in the near-surface layer of LEZ in the melting zone, and ledeburite structure prevails in the quenching zone. For the studied LT modes, LEZ depth is 220 – 310 μm. At the same time, microhardness is more than 2.5 – 4.2 times higher than microhardness of the base metal and reaches 820 HV0.1, that is a significant factor in increasing the wear resistance of the material. On the contrary, no significant structural changes were found in the case of LT without melting the surface. In order to identify the role of LT in wear of cast iron, sliding friction tests were carried out according to the “disk – finger” scheme at a pressure in the contact zone of 12.5 MPa and indenter rotation speed of 580 rpm. According to the test data, a significant decrease in linear wear and the wear intensity after the surface melting was found. The wear intensity is reduced by more than 100 times, and linear wear – by more than 50 times. The characteristics of LEZ surface cause a decrease in the friction coefficient by 30 % relative to the untreated surface.

лазерная обработкачугунзона лазерного воздействияметаллографиямикротвердостьтрибологические испытанияинтенсивность изнашиванияlaser treatmentcast ironlaser exposure zonemetallographymicrohardnesstribo-testswear intensityReferencesКулешов И.И., Ходаковский В.М. Повышение эффективности лазерного упрочнения чугунных деталей судовых энергетических установок. Вестник государственного университета морского и речного флота им. адмирала C.О. Макарова. 2017;9(4):814–828.Kuleshov I.I., Khodakovskii V.M. Improvement efficiency of laser strengthening of iron details ship’s power plants. Vestnik gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota im. admirala S.O. Makarova. 2017;9(4):814–828. (In Russ.).Ali A., Khalid E.A., Alwan A.S., Jaddoa A. Effect of fibre laser surface treatment on wear resistance of gray cast iron ASTM A48. Journal of Mechanical Engineering Research and Developments. 2021;44(2):141–149.Ali A., Khalid E.A., Alwan A.S., Jaddoa A. Effect of fibre laser surface treatment on wear resistance of gray cast iron ASTM A48. Journal of Mechanical Engineering Research and Developments. 2021;44(2):141–149.Gigan G.Le, Ekh M., Vernersson T., Lundén R. Modelling of grey cast iron for application to brake discs for heavy vehic­les. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering. 2017;231(1): 35–49. https://doi.org/10.1177/0954407016632090Gigan G.Le, Ekh M., Vernersson T., Lundén R. Modelling of grey cast iron for application to brake discs for heavy vehic­les. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering. 2017;231(1): 35–49. https://doi.org/10.1177/0954407016632090Hwang J.-H., Kim D.-Y., Youn J.-G., Lee Y.-S. Laser surface hardening of gray cast iron used for piston ring. Journal of Materials Engineering and Performance. 2002;11(3): 294–300. https://doi.org/10.1361/105994902770344105Hwang J.-H., Kim D.-Y., Youn J.-G., Lee Y.-S. Laser surface hardening of gray cast iron used for piston ring. Journal of Materials Engineering and Performance. 2002;11(3): 294–300. https://doi.org/10.1361/105994902770344105Aranke O., Algenaid W., Awe S., Joshi Sh. Coatings for automotive gray cast iron brake discs: A review. Coatings. 2019;9(9):552. https://doi.org/10.3390/coatings9090552Aranke O., Algenaid W., Awe S., Joshi Sh. Coatings for automotive gray cast iron brake discs: A review. Coatings. 2019;9(9):552. https://doi.org/10.3390/coatings9090552Минаков А.П., Юшкевич Н.М., Камчицкая И.Д., Ильюшина Е.В., Зайцев Д.Л. Анализ способов повышения износостойкости направляющих станин металлорежущих станков. Вестник Белорусско-Российского Университета. 2016;(3(52)):40–50. https://doi.org/10.53078/20778481_2016_3_40Minakov A.P., Yushkevich N.M., Kamchitskaya I.D., Il’yushina E.V., Zaitsev D.L. Analysis of methods to improve wear resistance of bedways of machine tools. Vestnik Belorussko-Rossiiskogo Universiteta. 2016;(3(52)):40–50. (In Russ.). https://doi.org/10.53078/20778481_2016_3_40Кадырметов А.М., Симонова Ю.Э. Особенности применения газотермических и плазменных методов для получения функциональных покрытий. Воронежский научно-технический вестник. 2021;1(1(35)):25–32. https://doi.org/10.34220/2311-8873-2022-25-32Kadyrmetov A.M., Simonova Yu.E. Features of application of gas-thermal and plasma methods for obtaining functional coatings. Voronezh Scientific-Technical Bulletin. 2021;1(1(35)):25–32. (In Russ.). https://doi.org/10.34220/2311-8873-2022-25-32Антонов Б.Ю., Костин С.Н. Трубы из высокопрочного чугуна в нефтегазовой отрасли. Нефть. Газ. Новации. 2018;(5):44–46.Antonov B.Yu., Kostin S.N. Ductile cast-iron pipes in oil and gas industry. Neft’. Gaz. Novatsii. 2018;(5):44–46. (In Russ.).Афанасьев В.К., Кольба А.В. Разработка инструмента из белого чугуна без применения специального легирования. Металлообработка. 2011;(2(62)):41–48.Afanas’ev V.K., Kol’ba A.V. Development of a tool made of white cast iron without special alloying. Metalloobrabotka. 2011;(2(62)):41–48. (In Russ.).Алифанов А.В. Применение горячедеформированного хромованадиевого белого чугуна для получения дереворежущего инструмента. Литье и металлургия. 2012;(3(67)):157–161.Alifanov A.V. The use of not-chrome vanadium white iron for wodcutting tools. Lit’e i metallurgiya. 2012;(3(67)): 157–161. (In Russ.).Аманов С.Р., Кислов А.В., Юков А.В. Влияние поверхностной обработки штампов на коэффициент трения при вытяжке. Кузнечно-штамповое производство. Обработка материалов давлением. 2003;(1):35–39.Amanov S.R., Kislov A.V., Yukov A.V. Effect of stamps surface treatment on friction coefficient at drawing. Kuznechno-shtampovoe proizvodstvo. Obrabotka materialov davleniem. 2003;(1):35–39. (In Russ.).Васькин К.Я., Блинов А.А., Блинов А.В. Плазменная закалка чугуна ХФ. Технические науки – от теории к практике. 2017;(4(64)):33–37.Vas’kin K.Ya., Blinov A.A., Blinov A.V. Plasma hardening of HF cast iron. Tekhnicheskie nauki – ot teorii k praktike. 2017;(4(64)):33–37. (In Russ.).Silva K.H.S., Carneiro J.R., Coelho R.S., Pinto H., Brito P. Influence of shot peening on residual stresses and tribological behavior of cast and austempered ductile iron. Wear. 2019;440–441:203099. http://doi.org/10.1016/j.wear.2019.203099Silva K.H.S., Carneiro J.R., Coelho R.S., Pinto H., Brito P. Influence of shot peening on residual stresses and tribological behavior of cast and austempered ductile iron. Wear. 2019;440–441:203099. http://doi.org/10.1016/j.wear.2019.203099Веселовский А.А., Немцев А.Е. Способ повышения работоспособности мелкомодульных зубчатых колес из высокопрочного чугуна. Вестник Курганской ГСХА. 2022;1 (41):59–66. https://doi.org/10.52463/22274227_2022_41_59Veselovskii A.A., Nemtsev A.E. Method of improving the performance of small-module gears made of high-strength cast iron. Vestnik Kurganskoi GSKhA. 2022;(1(41)):59–66. (In Russ.). https://doi.org/10.52463/22274227_2022_41_59Zhang D., Li Y., Du X., Fan H., Gao F. Microstructure and tribological performance of boride layers on ductile cast iron under dry sliding conditions. Engineering Failure Analysis. 2022;134:106080. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2022.106080Zhang D., Li Y., Du X., Fan H., Gao F. Microstructure and tribological performance of boride layers on ductile cast iron under dry sliding conditions. Engineering Failure Analysis. 2022;134:106080. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2022.106080Kondakci E., Solak N. The effect of microstructure on nitriding mechanism of cast iron. International Journal of Metal­casting. 202;14(4):1033–1040. https://doi.org/10.1007/s40962-019-00404-2Kondakci E., Solak N. The effect of microstructure on nitriding mechanism of cast iron. International Journal of Metal­casting. 202;14(4):1033–1040. https://doi.org/10.1007/s40962-019-00404-2Zammit A., Abela S., Betts J.C., Grech M. Discrete laser spot hardening of austempered ductile iron. Surface and Coatings Technology. 2017;331:143–152. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2017.10.054Zammit A., Abela S., Betts J.C., Grech M. Discrete laser spot hardening of austempered ductile iron. Surface and Coatings Technology. 2017;331:143–152. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2017.10.054Němeček S. Surface of cast iron after laser hardening. Advanced Materials Research. 2013;685:92–96. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.685.92Němeček S. Surface of cast iron after laser hardening. Advanced Materials Research. 2013;685:92–96. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.685.92Макаров А.В., Малыгина И.Ю., Осинцева А.Л. Влияние лазерной обработки на структуру, износостойкость и усталостные свойства высокопрочного чугуна. Физика и химия обработки материалов. 2006;(4):46–55.Makarov A.V., Malygina I.Yu., Osintseva A.L. The effect of laser treatment on the structure, wear resistance and fatigue properties of high-strength cast iron. Fizika i khimiya obrabotki materialov. 2006;(4):46–55. (In Russ.).Aziz S.S., Alwan A.S., Abed K.A. Influence of Nd-YAG laser beam on microstructure and wear characteristics of gray cast iron. Journal of Biochemical and Cellure Archives. 2019;19(1):1587–1592.Aziz S.S., Alwan A.S., Abed K.A. Influence of Nd-YAG laser beam on microstructure and wear characteristics of gray cast iron. Journal of Biochemical and Cellure Archives. 2019;19(1):1587–1592.Catalán N., Ramos-Moore E., Boccardo A., Celentano D. Surface laser treatment of cast irons: A review. Metals. 2022;12(4):562. https://doi.org/10.3390/met12040562Catalán N., Ramos-Moore E., Boccardo A., Celentano D. Surface laser treatment of cast irons: A review. Metals. 2022;12(4):562. https://doi.org/10.3390/met12040562Самотугина Ю.С. Технологические особенности локального упрочнения высокопрочного чугуна. Автоматическая сварка. 2005;(5):47–50.Samotugina Yu.S. Technological features of local harde­ning of high-strength cast iron. Avtomaticheskaya svarka. 2005;(5):47–50. (In Russ.).Pan W.X., Meng X., Li G., Fei Q.X., Wu C.K. Feasibility of laminar plasma-jet hardening of cast iron surface. Surface & Coatings Technology. 2005;197(2-3):345–350. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2004.06.043Pan W.X., Meng X., Li G., Fei Q.X., Wu C.K. Feasibility of laminar plasma-jet hardening of cast iron surface. Surface & Coatings Technology. 2005;197(2-3):345–350. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2004.06.043Гречнева М.В. Краткий анализ результатов работ в области плазменного поверхностного упрочнения сталей и сплавов. Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017;21(5):10–23. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2017-5-10-23Grechneva M.V. A brief analysis of the results of works in the field of steel and alloy plasma surface hardening. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017;21(5):10–23. (In Russ.). https://doi.org/10.21285/1814-3520-2017-5-10-23Ksiazek M., Nejman I., Boron L. Investigation on microstructure, mechanical and wear properties of HVOF sprayed composite coatings (WC–Co+Cr) on ductile cast iron. Materials. 2021;14(12):3282. https://doi.org/10.3390/ma14123282Ksiazek M., Nejman I., Boron L. Investigation on microstructure, mechanical and wear properties of HVOF sprayed composite coatings (WC–Co+Cr) on ductile cast iron. Materials. 2021;14(12):3282. https://doi.org/10.3390/ma14123282Балдаев Л.Х., Борисов В.Н., Вахалин В.А. Газотерми­ческое напыление. Москва: Маркет ДС; 2007:344.Baldaev L.Kh., Borisov V.N., Vakhalin V.A. Gas Thermal Spraying. Moscow: Market DS, 2007:344. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.