Ученые Федерального исследовательского центра Красноярский научный центр СО РАН (ФИЦ КНЦ СО РАН), Национального исследовательского университета «МЭИ» и Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета разработали технологию повышения поверхностной твердости и износостойкости стальных изделий. О разработке сообщает пресс-служба КНЦ СО РАН.

«Исследователи обнаружили, что лазерная обработка и создание упрочненных наноуглеродными материалами поверхностных слоев повышают твердость модифицированного материала более чем в пять раз по сравнению с наиболее распространенной технической сталью»,- говорится в сообщении пресс-службы.

Чтобы повысить прочность и эксплуатационные свойства деталей машин и инструментов, работающих в условиях износа и контактных нагрузок, обычно применяют технологию легирования – добавки в сталь примесей. Исследователи предположили, что этот метод можно существенно улучшить, если использовать такие наноуглеродные материалы, как фуллерен, графен или наноуглеродные трубки, и лазер для обработки поверхности, преимуществом которого является возможность бесконтактной, быстрой и строго дозированной передачи энергии на обработанную поверхность металла.

Российские ученые проверили, как мощность лазерного излучения влияет на твердость поверхности и коэффициент трения технического железа, модифицированного наноуглеродом. В качестве наноматериала использовали сажу, которая получается при производстве фуллеренов в дуговом разряде с графитовыми электродами.

Ученым удалось подобрать такие мощности, при которых поверхность металла не плавится,и в то же время наблюдается значительное увеличение его прочности. Как правило, твердость материала была максимальна в центре зоны воздействия пучка лазера и уменьшалась к краям. Неоднородное распределение твердости усиливало износостойкость поверхности, поскольку металлический сплав, образованный из мягкого основания и жестких включений, имел меньший коэффициент трения.

Как показали эксперименты, после обработки лазером твердость железа, покрытого наноструктурированным углеродом, увеличилась более чем в пять раз по сравнению с наиболее распространенной технической сталью. Коэффициент трения усиленного материала оказался на 20-30% ниже, чем у исходных образцов технического железа в условиях сухого контакта поверхностей.

«Твердость и износостойкость сталей, особенно содержащих соединения углерода, азота или бора, значительно улучшаются после лазерной обработки. Кроме того, лазерное нагревание не вызывает деформации продуктов, что сокращает технологический процесс, поскольку нет необходимости в дополнительной обработке металлических изделий», — так прокомментировал результаты исследования доктор физико-математических наук, научный сотрудник Национального исследовательского университета «Московский энергетический институт» Александр Елецкий.


Микроструктура поверхности технического железа после лазерной обработки. Изменение структуры поверхности с ростом мощности лазерной обработки (по часовой стрелке, наименьшая мощность – левый верхний квадрат).