Ученые из Национального исследовательского университета «МЭИ», Красноярского научного центра Сибирского отделения РАН (ФИЦ КНЦ СО РАН) и Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета разработали технологию повышения твердости и износостойкости стали. Обработка поверхности металла наноуглеродными материалами и лазером повысила его твердость в пять с лишним раз в сравнении с наиболее распространенными сортами стали. Соответствующая статья опубликована в Physics of Metals and Metallography.
Российские ученые проверили, как мощность лазерного излучения влияет на твердость поверхности и коэффициент трения стали, в поверхностный слой которой предварительно внесли частицы сажи нанометровых размеров. Наносажу получали в дуговом разряде от графитовых электродов.
Выяснилось, что прочность образца стали становится максимальной после обстрела его поверхности лазерными импульсами в 100—150 джоулей на квадратный сантиметр. Такая плотность энергии в несколько раз больше той, что получает кипящий чайник от нагревающей его газовой конфорки. Большая интенсивность лазерного обстрела плавила поверхность металла, тогда как меньшая не вела к значительному нарастанию его прочности.
Твердость материала после обработки была максимальна в центре зоны воздействия пучка лазера и уменьшалась к краям. Однако такая неоднородность даже увеличила износостойкость поверхности: металлический сплав на основе мягкого основания и жестких включений имел меньший коэффициент трения и за счет этого медленнее изнашивался при интенсивных нагрузках.
После обработки твердость металла, покрытого включениями наноструктурированной сажи, выросла в пять с лишним раз по сравнению с наиболее распространенной технической сталью. Коэффициент трения модифицированного материала (без учета смазки) был на 20—30 процентов ниже стандартного.
Исследователи также модифицировали поверхностный слой фуллеренами, после чего вновь обработали его лазерными импульсами. При этом твердость стали возросла в восемь раз. Однако в силу более высокой стоимости фуллеренов по сравнению с сажей такая сталь будет заметно дороже.
Отдельно отмечается и то, что лазерный обстрел заметно поднимает твердость и устойчивость к износу и при внесении в поверхностной слой других добавок — азота или бора. Плюсом лазерной обработки следует считать то, что она не вызывает деформации стального изделия, поверхность которого упрочняет. Таким образом, не нужна какая-либо дополнительная обработка металла для возврата к заданным размерам. Это заметно удешевляет такой метод повышения прочности по сравнению с традиционными методами термообработки металлов.
Предметы из стали, упрочненной по новой технологии, могут найти широкое применение в машиностроении — везде, где нужны прочные и износостойкие металлические детали, от быстрорежущих резцов для станков до автозапчастей.
