Ученые Национального исследовательского университета МЭИ, Федерального исследовательского центра Красноярский научный центр СО РАН и Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета создали инновационную технологию. Она значительно повышает поверхностную твердость и износостойкость стальных изделий.
Суть технологии: Лазер и наноуглерод
Исследователи выявили, что комбинация лазерной обработки и формирования слоев, упрочненных наноуглеродными материалами, дает скачкообразный рост твердости. Модифицированный материал становится тверже распространенной технической стали более чем в пять раз!
Преимущества поверхностного армирования
Упрочнение поверхности стали критически важно для увеличения прочности и срока службы деталей машин и инструментов, испытывающих износ и высокие нагрузки. Традиционно для изменения свойств металла применяют легирование добавкой примесей. Использование наноуглеродных материалов фуллерена, графена или нанотрубок совместно с лазером открывает новые возможности для улучшения этого метода.
Бесконтактная точность лазера
Доктор технических наук Григорий Чурилов, заведующий лабораторией Института физики им. Л.В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН, подчеркивает ключевое преимущество лазера. Это бесконтактная, быстрая и строго дозированная передача энергии на обрабатываемую металлическую поверхность.
Эксперимент с наноуглеродной сажей
Российские специалисты исследовали влияние мощности лазера на твердость и коэффициент трения технического железа, модифицированного наноуглеродом. В роли наноматериала использовали сажу от производства фуллеренов. Ученые обнаружили немонотонную зависимость прочности от лазерной энергии с пиком при 100 — 150 Дж/см2. Эта энергия многократно превышает ту, что нужна для кипячения литра воды на газовой плите.
Оптимальные параметры и эффект
Подобрав мощность, исключающую плавление металла, ученые добились резкого увеличения прочности. Максимальная твердость фиксировалась в центре лазерного пятна, снижаясь к краям. Такое неоднородное распределение повышало износостойкость: сплав из мягкой основы и жестких включений имел меньший коэффициент трения. Твердость железа с наноструктурированным углеродным покрытием после лазера превысила техническую сталь в пять раз. Коэффициент трения упрочненного материала оказался на 20-30% ниже исходного железа при сухом трении.
Фуллерены, графен и электронный пучок
Кроме сажи, для упрочнения применяли фуллерены и оксид графена. Обработку проводили не только лазером, но и пучком быстрых электронов. Максимальное упрочнение до 8 раз достигнуто с фуллеренами и последующей лазерной обработкой. Наибольшая глубина упрочненного слоя получена с помощью электронного пучка.
Перспективы лазерного упрочнения
Доктор физико-математических наук Александр Елецкий из МЭИ поясняет: Лазерная обработка существенно улучшает твердость и износостойкость сталей, особенно содержащих углерод, азот или бор. Важно, что лазерный нагрев не вызывает деформации изделий, упрощая технологический процесс и исключая необходимость дополнительной обработки.
Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда.
Изображение логотипа с сайта ФИЦ КНЦ СО РАН
Источник: scientificrussia.ru
