Лазерное упрочнение технологического инструмента обработки металлов давлением

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

 

 

 
 
 

Лазерное упрочнение 
технологического инструмента 
обработки металлов давлением

 

Монография 

 

Москва  2013 

УДК 621./9.048.7 
 
Л17 

Р е ц е н з е н т ы :  
канд. техн. наук, проф. С.М. Ионов; 
зав. лаб. Института металлургии и материаловедения РАН, чл.-кор. РАН Г.С. Бурханов 

Л17  
Лазерное упрочнение технологического инструмента обработки металлов давлением : моногр. / Н.А. Чиченев, 
С.А. Иванов, С.М. Горбатюк, А.Н. Веремеевич. – М. : Изд. Дом 
МИСиС, 2013. – 166 с. 
ISBN 978-5-87623-664-7 

Рассмотрены вопросы разработки технологии лазерного упрочнения прокатных валков с целью повышения их эксплуатационной стойкости. Изучено 
влияние технологических факторов лазерного упрочнения на эксплуатационную стойкость валков и качество прокатываемой полосы. Установлены рациональные условия контактного взаимодействия валков с полосой. Даны рекомендации по разработке технологии лазерного упрочнения прокатных валков. 
Приведены результаты повышения стойкости штампов для горячего деформирования на основе совершенствования технологии лазерной обработки. На основе теоретических и экспериментальных исследований термоусталостного разрушения штамповой стали даны рекомендации по технологии 
лазерной обработки инструмента для горячей штамповки.  
Показана целесообразность применения лазерного упрочнения для повышения эксплуатационной стойкости штампов холодного деформирования. 
Изучено влияние параметров лазерного излучения на глубину закаленного 
слоя и шероховатость поверхности. Обоснован выбор параметров для описания процесса лазерной закалки. На основе анализа температурных условий 
работы вырубных штампов и цилиндрического пуансона для холодной вырубки отверстий разработаны технологии лазерной обработки инструмента 
для холодной штамповки, которые прошли успешные испытания в промышленных условиях. 
Монография предназначена для научных и инженерно-технических работников предприятий металлургической и машиностроительной промышленности. Может быть полезна аспирантам и студентам вузов, обучающимся 
по соответствующим направлениям и специальностям. 

УДК 621.9/.048.7 

ISBN 978-5-87623-664-7 
© Чиченев Н.А.,  
Иванов С.А., 
Горбатюк С.М., 
Веремеевич А.Н., 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие..............................................................................................7 
Условные обозначения...........................................................................11 
1. Разработка технологии лазерного упрочнения прокатных  
валков с целью повышения их эксплуатационной стойкости............13 
1.1. Требования к валкам многовалковых станов............................13 
1.2. Лазерное упрочнение прокатных валков...................................16 
1.2.1. Технология изготовления рабочих валков  
многовалковых станов с использованием лазерного  
упрочнения......................................................................................16 
1.2.2. Установка для лазерного упрочнения валков ....................19 
1.2.3. Устройства для охлаждения валков....................................20 
1.3. Технологические факторы лазерного упрочнения...................23 
1.3.1. Поглощающие покрытия......................................................23 
1.3.2. Условия падения лазерного излучения...............................25 
1.3.3. Шероховатость поверхности бочки валка..........................29 
1.3.4. Характеристики активного слоя..........................................32 
1.4. Влияние лазерного упрочнения на эксплуатационную 
стойкость валков и качество прокатываемой полосы.....................36 
1.4.1. Расчет глубины упрочненного слоя  
при линейной закалке.....................................................................36 
1.4.2. Расчет глубины упрочненного слоя  
при спиральной закалке .................................................................40 
1.5. Рациональные условия контактного взаимодействия  
валков с полосой.................................................................................45 
1.5.1. Влияние эксплуатационных характеристик валков  
на качество прокатываемой полосы..............................................45 
1.5.2. Валки с равномерно изнашивающейся  
по длине бочкой..............................................................................47 
1.6. Рекомендации по разработке технологии лазерного 
упрочнения прокатных валков ..........................................................48 
2. Повышение стойкости штампов для горячего деформирования  
на основе совершенствования технологии лазерной обработки........50 
2.1. Общие сведения...........................................................................50 
2.2. Методика термоусталостных испытаний сталей......................51 
2.2.1. Способ оценки термической стойкости..............................51 
2.2.2. Установка для циклических термических испытаний ......53 

2.3. Теоретические и экспериментальные исследования 
термоусталостного разрушения штамповой стали..........................56 
2.3.1. Теоретическое определение температуры нагрева  
рабочей поверхности выталкивателя............................................56 
2.3.2. Экспериментальные исследования термоусталостного 
разрушения штамповой стали .......................................................59 
2.4. Технологии лазерной обработки инструмента  
для горячей штамповки......................................................................60 
2.5. Способ изготовления инструмента  
для горячей штамповки......................................................................64 
2.6. Промышленное опробование технологии лазерной  
обработки рабочего инструмента пресса-автомата АМР-70..........69 
3. Повышение эксплуатационной стойкости вырубных штампов 
методом лазерного упрочнения ............................................................71 
3.1. Требования к вырубным штампам.............................................71 
3.1.1. Условия эксплуатации вырубных штампов.......................71 
3.1.2. Факторы, влияющие на эксплуатационную стойкость 
штампов...........................................................................................74 
3.2. Методика проведения экспериментальных работ....................78 
3.3. Влияние параметров лазерного излучения на глубину 
закаленного слоя.................................................................................80 
3.3.1. Исследование структуры закаленного лазером слоя ........80 
3.3.2. Анализ математических моделей глубины закалки ..........84 
3.3.3. Математическое планирование эксперимента...................85 
3.4. Влияние лазерного излучения на шероховатость  
поверхности ........................................................................................88 
3.4.1. Основные характеристики шероховатости  
поверхности ....................................................................................88 
3.4.2. Определение характеристик микрогеометрии 
поверхностей...................................................................................93 
3.4.3. Влияние лазерной обработки на шероховатость 
поверхности и коэффициент трения.............................................94 
3.5. Температурные условия работы вырубных штампов..............97 
3.5.1. Постановка задачи................................................................97 
3.5.2. Математическая модель теплового состояния  
пуансонов вырубных штампов......................................................99 
3.5.3. Анализ температурных условий работы  
вырубных штампов.......................................................................101 

3.6. Технология лазерной обработки инструмента  
для холодной штамповки.................................................................102 
4. Повышение эксплуатационной стойкости штампов  
холодного деформирования методом лазерного упрочнения ..........108 
4.1. Постановка задачи исследования.............................................108 
4.1.1. Критерии работоспособности штампов  
для холодной обработки металлов давлением...........................108 
4.1.2. Методы повышения эксплуатационной стойкости  
штампов для холодного деформирования..................................112 
4.2. Лазерное термическое упрочнение металлов .........................114 
4.2.1. Факторы, влияющие на выбор режимов  
лазерной обработки ......................................................................114 
4.2.2. Особенности фазовых и структурных превращений  
в инструментальных сталях при лазерной закалке....................118 
4.3. Анализ тепловых процессов в сталях  
при лазерном нагреве .......................................................................122 
4.3.1. Постановка задачи лазерной закалки непрерывным 
излучением ....................................................................................122 
4.3.2. Влияние изменения теплофизических характеристик 
материала в зависимости от температуры  
на глубину закалки .......................................................................125 
4.3.3. Расчет температурного поля цилиндрического  
пуансона при лазерной обработке...............................................127 
4.4. Выбор параметров для описания процесса  
лазерной закалки...............................................................................130 
4.4.1. Применение теории размерностей  
для описания процесса лазерной термообработки ....................130 
4.4.2. Выбор безразмерных параметров  
для описания процессов лазерной обработки металлов ...........134 
4.4.3. Описание процесса лазерной закалки металлов..............135 
4.5. Экспериментальное исследование процесса  
лазерной обработки ..........................................................................138 
4.5.1. Методика проведения экспериментальных работ ...........138 
4.5.2. Планирование эксперимента по лазерной  
термообработке стали Х12М.......................................................139 
4.5.3. Зависимость глубины закалки от параметров  
лазерного излучения.....................................................................143 

4.6. Температурные условия работы цилиндрического  
пуансона для холодной вырубки отверстий ..................................146 
4.6.1. Постановка задачи..............................................................146 
4.6.2. Разработка математической модели .................................149 
4.6.3. Анализ температурных условий работы пуансона..........150 
4.7. Опытно-промышленные испытания лазерно-упрочненного 
штампового инструмента.................................................................153 
Заключение............................................................................................156 
Библиографический список.................................................................157 
Приложение 1. Диссертации по лазерной тематике,  
защищенные в МИСиС ........................................................................160 
Приложение 2. Дипломные проекты по лазерной тематике  
кафедры инжиниринга технологического оборудования.................161 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

В монографии обобщен многолетний опыт работы преподавателей и научных сотрудников Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» (НИТУ «МИСиС») в области 
лазерных технологий. В ней представлены наиболее интересные разработки, направленные на повышение эксплуатационной стойкости 
технологического инструмента обработки металлов давлением (прокатные валки, штампы горячего и холодного деформирования и пр.). 
В МИСиС работы в области лазерных технологий были начаты по 
инициативе и под руководством ректора, академика П.И. Полухина.  
В 1981 г. в проблемной лаборатории процессов пластической деформации и упрочнения был организован сектор лазерной обработки материалов. В октябре 1982 г. пущен в эксплуатацию технологический 
лазер ЛТ1-2 мощностью 5 кВт, за сравнительно короткий срок сектор 
был оснащен технологическими лазерами «Кардамон», «Квант-16», 
«Латус-31» и современным металловедческим оборудованием.  
В 1983 г. организован межкафедральный научно-исследовательский 
центр лазерных технологий, в состав которого вошли сотрудники сектора и научных групп, занимающихся исследованием взаимодействия 
лазерного излучения с веществом, кафедры физики и кафедры инжиниринга технологического оборудования (ИТО). 
Основные разработки научной школы МИСиС были направлены 
на изучение закономерностей процесса взаимодействия лазерного 
излучения с различными материалами и создание технологических 
процессов лазерной обработки применительно к деталям и технологическому инструменту металлургической промышленности, внедрение на предприятиях страны технологических процессов лазерного упрочнения и восстановления рабочих поверхностей инструмента 
и деталей металлургического оборудования. За эти годы получено 
свыше 50 авторских свидетельств на изобретения, опубликовано 
свыше 100 статей, по материалам разработок защищено 9 кандидатских диссертаций (приложение 1). 
В главе 1 приведены результаты комплекса работ по созданию 
технологий лазерного упрочнения рабочих валков малого диаметра 
для многовалковых станов из различных инструментальных хромистых сталей, который был проведен в рамках межвузовской комплексной целевой научно-технической программы «Научно-исследо

вательские и проектно-конструкторские работы по созданию новых, 
эффективных способов изготовления и эксплуатации прокатных валков повышенной надежности и долговечности» (программа «Валок»). Определены оптимальные режимы комплексного (объемная и 
лазерная закалка) упрочнения прокатных валков с целью повышения 
эксплуатационной стойкости инструмента и качества прокатываемой 
полосы. Валки, обработанные лазером по предложенной технологии, 
были испытаны в промышленных условиях на Московском заводе по 
обработке цветных металлов. Испытания показали, что стойкость 
валков увеличилась в 3 раза, при этом на поверхности валков совершенно отсутствовало налипание прокатываемого металла, в отличие 
от прокатки на валках, обработанных по штатной технологии. 
Значительный интерес для теории и практики кузнечноштамповочного производства представляет комплекс работ, направленный на разработку технологии лазерного упрочнения штампов 
горячего деформирования с целью повышения их эксплуатационной 
стойкости (глава 2). Для качественной оценки термоусталостной 
стойкости штамповой стали разработана оригинальная методика, основанная на циклическом нагреве торцевой поверхности сплошного 
цилиндрического образца с помощью лазерного излучения. Высокая 
концентрация излучения и локальность его термического воздействия позволили реализовать нагрев и охлаждение поверхностных слоев материала при очень малом времени термического воздействия и 
высокой частоте термоциклирования, соответствующих технологическому процессу штамповки на пресс-автоматах, и получить максимальное и минимальное значения температуры нагрева поверхности 
образца, характерные для реальных условий эксплуатации штампового инструмента. 
Проведенные исследования показали, что одним из наиболее эффективных путей увеличения срока службы инструмента для горячей 
штамповки в результате повышения его разгаростойкости является 
подготовка рабочей поверхности созданием как можно более однородной мелкодисперсной структуры с помощью непрерывного лазерного излучения. Результаты испытаний и статистические данные 
подтвердили высокую технико-экономическую эффективность применения лазерного упрочнения для выталкивателей и пуансонов, при 
этом годовая экономия достигается как в результате увеличения эксплуатационной надежности инструмента, так и путем продления 

срока службы инструмента за счет повторных постановов и снижения выпуска бракованных поковок. 
В главах 3 и 4 приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований, направленных на повышение эксплуатационной стойкости штампов холодного деформирования путем разработки и внедрения лазерного упрочнения. Уточнены закономерности формирования поверхностного слоя штампов холодного деформирования, изготовленных из углеродистых и легированных инструментальных сталей. Предложена обобщенная зависимость относительной глубины закалки от комплексного безразмерного показателя 
лазерного излучения, основанная на использовании теплофизических 
характеристик обрабатываемого материала и безразмерных параметров лазерной обработки. 
На основе экспериментальных исследований определены параметры шероховатости поверхности после лазерной закалки и установлена связь комплексного показателя шероховатости с эксплуатационными характеристиками вырубных штампов холодного деформирования. Повышение стойкости штампов для холодного деформирования достигнуто путем разработки материалосберегающей технологии лазерного упрочнения вырубных штампов, изготовленных из 
углеродистых (У8, У10) и легированных (9ХС, Х12М, 6ХВ2С, ЭИ161) инструментальных сталей. 
Разработанная технология позволяет повысить стойкость элементов вырубных штампов в 2–3 раза и дополнительно снизить расход 
инструментальной стали за счет возможности многократного (до 
4 раз) использования штампового инструмента путем перешлифовки. 
Результаты экспериментальных и теоретических исследований использованы при разработке режимов лазерного термоупрочнения 
вырубных штампов, изготовленных из инструментальной полутеплостойкой стали Х12М. Опытно-промышленные испытания показали, 
что эксплуатационная стойкость штампов возрастает в 1,5–2,2 раза, 
при этом повышается качество штамповок и выход годного.  
Учитывая высокую потребность производства в кадрах, владеющих новейшими методами обработки материалов, в МИСиС с 1983 г. 
в течение 8 лет на специальном факультете по переподготовке кадров по новым перспективным направлениям науки и техники велась 
подготовка инженеров для работы в области лазерной техники и технологии. Было подготовлено около 160 специалистов, в выпускных 
работах которых под руководством ведущих специалистов в области 

лазерной техники и технологии решались конкретные технологические задачи применительно к различным предприятиям и организациям. Важным достоинством обучения на спецфакультете являлась 
практическая направленность, а тематику выпускных работ утверждали руководители предприятий и организаций, направивших слушателей. 
Накопленный научный потенциал знаний позволил в 1984 г. начать на кафедре ИТО подготовку кадров по специализации «Лазерная техника и технология», по которой защитили дипломы 66 студентов (приложение 2). Как правило, дипломные проекты выполняются на ведущих предприятиях, которые проводят исследования в 
области лазерных технологий и осуществляют проектирование и изготовление современных технологических лазерных комплексов.  

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 

α 
– коэффициент теплоотдачи; 
α, β, γ, ... – углы; 
ε 
– деформация линейная; 
γ 
– деформация сдвига; 
λ 
– коэффициент теплопроводности; 
μ 
– коэффициент Пуассона; 
ν 
– коэффициент кинематической вязкости; 
ρ 
– плотность; 
σ 
– напряжение нормальное; 
τ 
– напряжение касательное; 
φ 
– угол закручивания; 
ω 
– частота колебаний угловая; 
a 
– коэффициент температуропроводности; 
a, b, c, ... – коэффициенты; 
A 
– площадь, работа; 
c 
– удельная теплоемкость; 
С 
– теплоемкость; 
D, d 
– диаметр; 
E 
– модуль упругости, кинетическая энергия; 
F 
– сила; 
f 
– коэффициент трения, фокусное расстояние; 
G 
– вес, модуль сдвига; 
I 
– сила тока; 
H, h 
– высота, толщина, глубина; 
K, k 
– коэффициент (общее обозначение); 
L, l 
– длина, линейный размер; 
m 
– масса; 
M 
– масса, момент; 
n 
– частота вращения; 
N 
– число циклов; 
p 
– давление; 
P 
– мощность; 
Q 
– тепловой поток, поперечная сила, расход воды; 
q 
– нагрузка линейная, плотность мощности лазерного  
излучения; 

R, r 
– радиус; 
s 
– длина пути, расстояние, толщина; 
S 
– площадь поверхности; 
t 
– время; 
T 
– температура, момент вращающий; 
u 
– скорость, энергия удельная; 
U 
– напряжение электрическое, энергия; 
υ 
– скорость; 
V 
– объем; 
W 
– момент сопротивления сечения, работа; 
x, y, z 
– декартовы координаты; 
z 
– число чего-либо (зубьев, болтов, ремней и т.д.). 

1. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ЛАЗЕРНОГО 
УПРОЧНЕНИЯ ПРОКАТНЫХ ВАЛКОВ  
С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ИХ 
ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ 

1.1. Требования к валкам многовалковых станов 

Развитие автомобильной промышленности, электроники, авиации 
и других современных отраслей науки и техники привело к необходимости производства тонкой (толщиной до 0,01 мм) и тончайшей 
(до 0,001 мм) ленты высокого качества из высоколегированных сталей, цветных и благородных металлов, получаемой на многовалковых станах холодной прокатки. Повышение технико-экономической 
эффективности получения такой продукции непосредственно связано 
с надежностью и долговечностью технологического инструмента – 
рабочих валков. 
Специфика дальнейшего использования таких лент обусловила 
повышение требований к ним по точности геометрических размеров 
и качеству поверхности. Важными критериями качества готовой 
продукции многовалковых станов, согласно требованиям отечественных и зарубежных стандартов, являются продольная и поперечная разнотолщинность и планшетность лент. Допускаемые отклонения по точности тонколистового проката зависят от толщины, ширины и материала прокатываемых лент. С увеличением толщины и 
уменьшением ширины ленты допуск на разнотолщинность снижается. Величина разнотолщинности полос и лент, как правило, не превышает 10 % от номинальной толщины, а в некоторых случаях – менее 1 %. 
Многовалковые станы характеризуются высокой жесткостью рабочей клети, величина упругой деформации которой соизмерима с 
допуском на толщину прокатываемой полосы, что определяет возможность прокатки тонкой и тончайшей ленты с разнотолщинностью по ширине в пределах 2…20 мкм. Технико-экономическая эффективность производства тонких лент непосредственно связана с 
эксплуатационной надежностью рабочих валков, диаметр которых в 
зависимости от толщины и ширины прокатываемой полосы составляет 3…152 мм. Удельное давление прокатываемого металла на рабочие валки достигают высоких значений, которые в 2,0–2,5 раза 

превышают значения давления в клетях листопрокатных станов 
кварто, что значительно снижает их стойкость.  
Изучение условий работы рабочих валков многовалковых станов 
показало, что основным критерием их работоспособности является 
износ поверхности бочки вследствие усталостной контактной прочности; в то же время валки практически не испытывают деформаций 
изгиба и кручения. Поэтому одним из основных требований, предъявляемых к рабочим валкам, является высокая и равномерная твердость поверхности бочки после закалки, которая должна способствовать повышению износостойкости рабочего слоя, уменьшению степени его повреждаемости и, как следствие, обеспечить высокое качество прокатываемой полосы. 
Выбор стали для изготовления валков многовалковых станов определяется ее технологическими характеристиками: закаливаемостью, прокаливаемостью, обрабатываемостью и т.д. В качестве материала валков в основном используются высокохромистые инструментальные стали ледебуритного и мартенситного классов, а также 
твердые сплавы. Углеродистые стали и низколегированные стали 
практически не применяются вследствие их плохой прокаливаемости, склонности к хрупкому разрушению и низкой износостойкости. 
В отечественных многовалковых станах наибольшее применение получила высокохромистая сталь Х9ВМФШ, обладающая глубокой 
прокаливаемостью и обеспечивающая получение высокой поверхностной твердости валков при хорошем сопротивлении рабочего слоя 
большим контактным нагрузкам. За рубежом для валков многовалковых станов широко используются стали типа Х12М и 110Х12МФ. 
Валки из этих сталей обладают повышенной жесткостью и износостойкостью, но из-за наличия в структуре грубой ледебуритной сетки 
их стойкость при высоких контактных нагрузках невысока. 
Важнейшим фактором, обеспечивающим требуемые эксплуатационные характеристики валков, является окончательная термическая обработка, цель которой состоит в выполнении двух основных условий: 
1) получение мартенсита с концентрацией углерода и легирующих элементов, обеспечивающей заданные значения твердости и теплостойкости после отпуска, а также прокаливаемости; 
2) охранение мелких зерен аустенита для предупреждения снижения прочности и вязкости стали при нагреве.