Laser surface melting of the cast iron SCH20 after chill casting

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The influence of parameters of laser melting of gray cast iron SCh20 on the surface topography, microstructure and microhardness is investigated. Parts of centrifugal electric submersible pumps (ESP) for oil production are made of gray cast iron. According to the chemical composition, the analyzed material is gray cast iron. But due to the rapid cooling during casting the material in its initial state has the structure of white cast iron. The rapidly cooled from the melt cast iron (chilled iron) has a high hardness and wear resistance due to the presence of ledeburite in the structure. However, it is of interest to further increase the surface hardness by laser melting. Usually white iron is slightly hardened by laser melting. However, in this case the cast iron observed significant hardening. Samples were cut from the part obtained by casting in a metal mold, and had the form of 3 mm thick plates. Laser surface melting was carried out using a fiber laser with the 1.07 mm radiation wavelength and a circular cross-section laser beam. The varied parameters were: a speed of beam movement v, a spot size d, and a power of the laser beam P. Microhardness was measured with a load of 50 grams. Laser melting in this case does not change the type of structure. However, the dispersion of the microstructure increases significantly. As a result of structure refinement, the microhardness increased from 500 to 770…850 HV0,05. When a spot size of 0.2…0.5 mm periodic relief is formed on the surface. The relatively smooth surface of the track is formed by laser beam with spot size of 2…4 mm. Simultaneously, in this case, the material has a maximum microhardness. Before and after laser treatment, the samples were weighed. Mass change Dm per unit of length of the laser tracks is determined. It is shown that the value of Dm well approximated by a quadratic dependence on the value of P/(d*v)0.4. It is known that the value of P / (d * v) 0.4 is proportional to the size of the laser melting zone. Previously, during a study of laser melting of austenitic Ni-Resist cast iron with flake graphite, it was found, that Dm is in linear dependence on the value of P/(d*v)0.4.

About the authors

V. G Gilev

Perm National Research Polytechnical University

Email: Xray@pm.pstu.ac.ru
29, Komsomolsky prospekt, Perm, 614990, Russian Federation

E. A Morozov

Perm National Research Polytechnical University

Email: morozov.laser@gmail.com
29, Komsomolsky prospekt, Perm, 614990, Russian Federation

I. B Purtov

Perm National Research Polytechnical University

Email: purtoff.ivan@ya.ru
29, Komsomolsky prospekt, Perm, 614990, Russian Federation

References

  1. Контактная выносливость NiCrBSi покрытий, полученных методом газопорошковой лазерной наплавки / Р.А. Саврай, А.В. Макаров, Н.Н. Соболева, И.Ю. Малыгина, А.Л. Осинцева // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). - 2014. - № 4 (65). - С. 43-51.
  2. Применение метода лазерно-плазменной модификации поверхности металлов для улучшения триботехнических характеристик цилиндров двигателей внутреннего сгорания / С.Н. Багаев, Г.Н. Грачёв, А.Л. Смирнов, М.Н. Хомяков, А.О. Токарев, П.Ю. Смирнов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). - 2014. - № 1 (62). - С. 14-23.
  3. Laser surface hardening of frictional pairs made from steel-copper pseudoalloy / V.G. Gilev, E.A. Morozov, P.N. Kilina, L.D. Sirotenko // Russian Engineering Research. - 2016. - Vol. 36, iss. 2. - P. 152-155. - doi: 10.3103/S1068798X16020118.
  4. Alabeedi K.F., Abboud J.H., Benyounis K.Y. Microstructure and erosion resistance enhancement of nodular cast iron by laser melting // Wear. - 2009. - Vol. 266, iss. 9-10. - P. 925-933. - doi: 10.1016/j.wear.2008.12.015.
  5. Grum J., Šturm R. Comparison of measured and calculated thickness of martensite and ledeburite shells around graphite nodules in the hardened layer of nodular iron after laser surface remelting // Applied Surface Science. - 2002. - Vol. 187, iss 1-5. - P. 116-123. - doi: 10.1016/S0169-4332(01)00823-6.
  6. Fernandez-Vicente A., Pellizzari M., Arias J.L. Feasibility of laser surface treatment of pearlitic and bainitic ductile irons for hot rolls //Journal of Materials Processing Technology. - 2012. - Vol. 212, iss. 5. - P. 989-1002. - doi: 10.1016/j.jmatprotec.2011.11.013.
  7. Microstructural study of surface melted and chromium surface alloyed ductile iron / M.H. Sohi, M. Ebrahimi, H.M. Ghasemi, A. Shahripour // Applied Surface Science. - 2012. - Vol. 258, iss. 19. - P. 7348-7353. - doi: 10.1016/j.apsusc.2012.04.014.
  8. Adel K.M., Dhia A.S., Ghazali M.J. The effect of laser surface hardening on the wear and friction characteristics of acicular bainitic ductile iron // International Journal of Mechanical and Materials Engineering. - 2009. - Vol. 4, N 2 (Special issue). - P. 167-171.
  9. Chen C.H., Altstetter C.J., Rigsbee J.M. Laser processing of cast iron for enhanced erosion resistance // Metallurgical Transactions A. - 1984. - Vol. 15, iss. 4. - P. 719-728. - doi: 10.1007/BF02644203.
  10. Paczkowska M. The evaluation of the influence of laser treatment parameters on the type of thermal effects in the surface layer microstructure of gray irons // Optics & Laser Technology. - 2016. - Vol. 76. - P. 143-148. - doi: 10.1016/j.optlastec.2015.07.016.
  11. Surface metal matrix composite Fe-Ti-C/TiC layers produced by laser melt injection technology / O.N. Verezub, Z. Kálazi, G. Buza, P. Boross, B. Vero, G. Kaptay // International Conference "Advanced metallic materials": proceedings, Smolenice, Slovakia, 5-7 November 2003. - Smolenice, 2003. - P. 297-300.
  12. Гилев В.Г., Торсунов М.Ф., Морозов Е.А. Лазерное легирование чугуна нирезист ЧН16Д7ГХ подачей порошка ВТ-20 в зону оплавления // Металлообработка. - 2016. - № 5 (95). - С. 25-30.
  13. Gilev V.G., Morozov E.A. Laser melt injection of austenitic cast iron Ch16D7GKh with titanium // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. - 2016. - Vol. 57, iss. 6. - P. 625-632. - doi: 10.3103/S1067821216060055.
  14. Исследование микроструктуры и микротвердости зон лазерного оплавления чугуна нирезист ЧН16Д7ГХ / В.Г. Гилев, Е.А. Морозов, И.Б. Пуртов, Е.С. Русин // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2014. - Т. 16, № 6-1. - С. 227-233.
  15. Safonov A.N. Structure and properties of the surface of iron-carbon alloys melted by laser radiation // Metal Science and Heat Treatment. - 1999. - Vol. 41, iss. 1. - P. 7-11. - doi: 10.1007/BF02466262.
  16. Ходаковский В.М., Патенкова Е.П. Особенности лазерного упрочнения чугунных деталей судовых технических средств // Металлообработка. - 2003. - № 4. - С. 26-29.
  17. Gilev V.G., Bezmaternykh N.V., Morozov E.A. Study of steel-copper pseudo alloy microstructure and microhardness after laser heat treatment // Metal Science and Heat Treatment. - 2014. - Vol. 56, iss. 5. - P. 262-268. - doi: 10.1007/s11041-014-9743-8.
  18. Исследование микроструктуры и рельефа поверхности при лазерной термической обработке тонкостенного цилиндра из порошкового псевдосплава сталь-медь / В.Г. Гилев, Е.А. Морозов, А.С. Денисова, А.М. Ханов // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2012. - Т. 14, № 4-5. - С. 1212-1217.
  19. Майоров В.С. Проявления капиллярной термоконцентрационной неустойчивости при взаимодействии лазерного излучения с веществом // Лазерные технологии обработки материалов: современные проблемы фундаментальных исследований и прикладных разработок / под ред. В.Я. Панченко. - М.: Физматлит, 2009. - С. 310-330.
  20. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н. Оборудование и технология лазерной обработки материалов. - М.: Высшая школа, 1990. - 159 с.
  21. Microstructure evolution and mechanical properties of drop-tube processed, rapidly solidified grey cast iron / O. Oloyede, T.D. Bigg, R.F. Cochrane, A.M. Mullis // Materials Science and Engineering: A. - 2016. - Vol. 654. - P. 143-150. - doi: 10.1016/j.msea.2015.12.020.
  22. Kraposhin V.S., Shakhlevich K.V., Vyaz'mina T.M. Influence of laser heating on the quantity residual austenite in steels and cast irons // Metal Science and Heat Treatment. - 1989. - Vol. 31, iss. 10. - P. 745-757. - doi: 10.1007/BF00717467.
  23. Крапошин B.C., Крапошина И.Ф. Влияние параметров лазерного облучения на размеры облученных зон для стали 45 // Физика и химия обработки материалов. - 1989. - № 6. - С. 19-24.
  24. Fedosov S.A. Laser beam hardening of carbon and low alloyed steels: discussion of increased quantity of retained austenite // Journal of materials Science. - 1999. - Vol. 34, iss 17. - P. 4259-4264. - doi: 10.1023/A:1004607020302.
  25. Stavrev D., Dikova Ts. Behaviour of graphite in laser surface hardening of irons // Machines, Technologies, Materials. - 2007. - Iss. 4-5. - P. 98-101.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».