DOI: https://doi.org/10.32515/2414-3820.2018.48.54-61

Investigation of the Structure and Microhardness of the Laser-treated Surface of the Cast Irons

Yuriy Kovalchuk, Ivan Lisoviy

About the Authors

Yuriy Kovalchuk, Associate Professor, PhD in Technics (Candidate of Technics Sciences), Associate Professor of the Department of Agroengineering, Uman National University of Horticulture, Uman, Ukraine, e-mail: temp@eml.ua

Ivan Lisoviy, PhD in Technics (Candidate of Technics Sciences), Associate Professor of the Department of Agroengineering, Uman National University of Horticulture, Uman, Ukraine, e-mail: lisov.iv.ol@gmail.com

Abstract

The purpose of this work is to study the method of surface laser treatment regarding the effect of laser radiation on the structure and microhardness of laser influence zones in the surface layer of cast iron to improve performance characteristics such as hardness and wear resistance of the corresponding parts of agricultural machinery. The ratio of austenitic and martensitic components in SCh21 cast iron in the structure of the hardened layer is significantly affected by the duration of the radiation effect. With its increase in the near-surface layer and in the depth of the laser-impact zone, separate areas of residual austenite with microhardness H100 = 500-560 kgf/mm2 appear. In the deep areas of the hardened layer, austenite is localized around phosphide eutectic inclusions, that is, in the most carbon-rich areas. Due to laser hardening of high-strength HF40 cast iron with the parameters specified in the work, the microhardness of the bleached layer was 7•103...8.7•103 MPa, and in the laser hardening zone from the solid state for austenitic-martensitic structure - 6•103...7 5•103 MPa. The choice of the hardening mode of cast iron SCh21 and the corresponding structural state in the zone of laser influence should be carried out taking into account the operating conditions of a particular part, since austenite may have a different effect on the wear resistance. For example, with respect to the friction pair of an engine cylinder – a compression ring, residual austenite may contribute to a better running-in of these parts. The use of fast scanning of a laser beam across the direction of motion provides smoothing of the surface relief of the melted layer and improving the shape of the hardened strip, bringing it closer to a rectangular one. In addition to high-power CO2 lasers, solid-state YAG lasers with a power of 400 W and more can be effectively used for hardening cast irons. Thus, surface laser treatment can also be successfully applied to cast iron, used by domestic manufacturers of agricultural machinery parts. This will ensure a significant increase in the performance characteristics of the respective products and will create prerequisites for the replacement of significantly more expensive steels with cast irons in certain cases.

Keywords

method of surface laser treatment, laser hardening, tempering, cast iron, wear resistance, agricultural machinery parts

Full Text:

PDF

References

1. Zavoiko, O.S. (2008). Doslidzhennia lazernoho zmitsnennia kolinchatykh valiv ta mekhaniko-termichnoi obrobky pry ruinuvanni na vtomu ta znos [Investigation of laser hardening of crankshafts and mechanical-thermal treatment in case of fatigue and wear destruction]. Fizyka i khimiia tverdoho tila – Physics and Chemistry of the Solid State, Vol. 15, 4, 846-855 [in Ukrainian].

2. Chernenko, V.S., Kindrachuk, M.V., & Dudka, O.I. (2008). Promenevi metody obrobky [Radial processing methods]. Kyiv: Kondor [in Ukrainian].

3. Pashkova, H.I. (2008). Pidvyshchennia pratsezdatnosti chavunnykh kolinchastykh valiv potuzhnykh transportnykh dyzeliv kombinovanymy metodamy zmitsnennia [Improvement of efficiency of cast-iron crankshafts of powerful transport diesel engines by combined methods of strengthening]. Extended abstract of candidate’s thesis. Kharkiv [in Ukrainian].

4. Kovalchuk, Yu.O., Nevzorov, A.V., & Kravchenko, V.V. (2015). Zastosuvannia lazernoi obrobky stali 45 dlia pidvyshchennia znosostiikosti detalei silskohospodarskykh mashyn [Application of laser treatment of steel 45 to improve the wear resistance of parts of agricultural machines]. Visnyk Ukrainskoho viddilennia Mizhnarodnoi akademii ahrarnoi osvity – Bulletin of the Ukrainian Branch of the International Academy of Agrarian Education, issue 3, 171-176 [in Ukrainian].

5. Bobrytskyi, V.M. (2007). Pidvyshchennia znosostiikosti rizalnykh elementiv robochykh orhaniv gruntoobrobnykh mashyn [Increase wear-resistance of cutting elements of working bodies of soil-working machines]. Extended abstract of candidate’s thesis. Kyiv [in Ukrainian].

6. Panchenko, V.Ja. (Eds.). (2009). Lazernye tehnologii obrabotki materialov: sovremennye problemy fundamental'nyh issledovanij i prikladnyh razrabotok [Laser technologies for processing materials: modern problems of fundamental research and applied development]. Moskva: Fizmatlit [in Russian].

7. Ogin, P.A. (2015). Povyshenie jekspluatacionnyh harakteristik detalej iz chugunov s primeneniem zakalki optovolokonnym lazerom [Improving the performance of parts made of cast iron using hardening with a fiber-optic laser]. Vestnik Nizhegorodskogo gosudarstvennogo inzhenerno-jekonomicheskogo instituta. Serija «Tehnicheskie nauki» – Bulletin of the Nizhny Novgorod State Engineering and Economic Institute. Series «Technical Sciences», 12 (55), 55-58 [in Russian].

8. Grigor'janc, A.G., Shiganov, I.N., & Misjurov, A.I. (2008). Tehnologicheskie processy lazernoj obrabotki [Technological processes of laser handling]. A.G. Grigor'janc (Ed.) (2-d ed.). Moskva: Izd-vo MGTU im. N.Je. Baumana [in Russian].

9. Birjukov, V.P. (2008). Povyshenie iznosostojkosti detalej sel'skohozjajstvennoj tehniki i pochvoobra-batyvajushhih orudij lazernym uprochneniem i naplavkoj [Increasing the durability of parts of agricultural machinery and tillage tools with laser hardening and surfacing]. Lazernye tehnologii v sel'skom hozjajstve – Laser technologies in agriculture. Moskva: Tehnosfera [in Russian].

10. Ogin, P.A. (2015). Struktura i svojstva zon perekrytija pri lazernoj zakalke stalej i chugunov [The structure and properties of overlap zones in laser hardening of steels and cast irons]. Vektor nauki Tol'jattinskogo gosudarstvennogo universiteta – Science vector of Togliatti State University, 2 (32-2), 130-135 [in Russian].

11. Buhanova, I.F., Divinskij, V.V., & Zhuravel, V.M. (2008). Primenenie lazernogo izluchenija dlja uprochnenija i vosstanovlenija detalej sel'skohozjajstvennogo mashinostroenija [The use of laser radiation for hardening and restoration of agricultural engineering parts]. Lazernye tehnologii v sel'skom hozjajstve – Laser technologies in agriculture. Moskva: Tehnosfera [in Russian].

GOST Style Citations

  1. Завойко О.С. Дослідження лазерного зміцнення колінчатих валів та механіко-термічної обробки при руйнуванні на втому та знос. Фізика і хімія твердого тіла, 2014. Т. 15, № 4. С. 846–855.
  2. Черненко В.С., Кіндрачук М.В., Дудка О.І. Променеві методи обробки: навч. посібник. Київ: Кондор, 2008. 166 с.
  3. Пашкова Г.І. Підвищення працездатності чавунних колінчастих валів потужних транспортних дизелів комбінованими методами зміцнення: автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.02.01 / Харк. нац. автомоб.-дорож. ун-т. Харків, 2008. 24 с.
  4. Ковальчук Ю.О., Невзоров А.В., Кравченко В.В. Застосування лазерної обробки сталі 45 для підвищення зносостійкості деталей сільськогосподарських машин. Вісник Українського відділення Міжнародної академії аграрної освіти, 2015. Вип. 3. С. 171–176.
  5. Бобрицький В.М. Підвищення зносостійкості різальних елементів робочих органів ґрунтооброб¬них машин: автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.02.04 / Національний транспортний ун-т . Київ, 2007. 20 с.
  6. Лазерные технологии обработки материалов: современные проблемы фундаментальных исследований и прикладных разработок / под ред. В.Я. Панченко. Москва: Физматлит, 2009. 664 с.
  7. Огин П.А. Повышение эксплуатационных характеристик деталей из чугунов с применением закалки оптоволоконным лазером. Вестник Нижегородского государственного инже¬нерно-экономического института. Серия «Технические науки», 2015. № 12 (55). С. 55–58.
  8. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки: учеб. пособие для вузов / под ред. А.Г. Григорьянца; 2-е изд., стереотип. Москва: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. 664 с.
  9. Бирюков В.П. Повышение износостойкости деталей сельскохозяйственной техники и почвообра¬батывающих орудий лазерным упрочнением и наплавкой. Лазерные технологии в сельском хозяйстве: тематический сборник. Москва: Техносфера, 2008. С. 256–264.
  10. Огин П.А. Структура и свойства зон перекрытия при лазерной закалке сталей и чугунов. Вектор науки Тольяттинского государственного университета, 2015. № 2 (32-2). С. 130–135.
  11. Буханова И.Ф., Дивинский В.В., Журавель В.М. Применение лазерного излучения для упрочнения и восстановления деталей сельскохозяйственного машиностроения. Лазерные технологии в сельском хозяйстве: тематический сборник. Москва: Техносфера, 2008. С. 264–270.
Copyright (c) 2018 Yuriy Kovalchuk, Ivan Lisoviy