Поверхностное упрочнение стальной формовочной стали методом лазерного закаливания

Более прочные инструменты для повседневных изделий

От бамперов автомобилей до корпусов телефонов — многие пластмассовые изделия формуются в стальных матрицах, которые должны выдерживать миллионы циклов производства. Когда такие формы изнашиваются, фабрики сталкиваются с дорогостоящими простоями и заменой. В этом исследовании рассматривается, как сфокусированный лазерный луч может быстро упрочнять лишь внешнюю «кожу» широко используемой формовочной стали, делая её более стойкой к износу при сохранении внутри пластичности и устойчивости к растрескиванию. Работа указывает путь к более быстрым и точным обработкам, которые могут продлить срок службы инструментов и снизить количество отходов при массовом производстве.

Высокотехнологичный способ упрочнить сталь

Традиционная закалка стали предполагает нагрев изделий целиком в печи с последующим быстрым охлаждением. Хотя этот метод эффективен, он может деформировать сложные формы и создавать внутренние напряжения, ослабляющие компоненты. Исследователи вместо этого опробовали «лазерное закаливание», при котором мощный диодный лазер сканирует поверхность образца из стали P20+S. Лазер быстро нагревает лишь тонкий поверхностный слой, который затем быстро остывает в очень твердую структуру, в то время как основная масса металла остаётся относительно холодной и пластичной. Такой локализованный подход обещает более точный контроль, меньше искажений и поверхности, которые часто не требуют дополнительной шлифовки.

Как проводились испытания

Команда варьировала два основных параметра при лазерной обработке: температуру поверхности (примерно 1000 °C или 1200 °C) и степень перекрытия соседних следов лазера (10 % или 25 %). Затем они изучали поперечные сечения обработанных зон в оптическом и электронном микроскопах и использовали рентгеновскую дифракцию для идентификации кристаллических фаз. Чтобы количественно оценить, насколько увеличилась твердость поверхности, провели наноиндентацию: в различных точках от поверхности вглубь материала вдавливали крошечный алмазный наконечник. Наконец, стойкость к износу проверяли на установке «штифт‑по‑диску», где керамический шарик тысячекратно скользил по стальной поверхности, а затем измеряли образовавшиеся канавки и силу трения.

Что происходит внутри стали

До обработки сталь P20+S демонстрировала типичную смесь более мягкого феррита и более твердой перлита. После лазерного закаливания эта микроструктура на поверхности исчезла и была заменена гораздо более твердой фазой, соответствующей мартенситу — игольчатой решётке атомов, известной своей высокой прочностью. Поверхностная твердость более чем удвоилась — с примерно 3,4 гигапаскаля в необработанном образце до примерно 8–9 гигапаскалей после лазерного закаливания. При 1000 °C упрочнённый слой достигал глубин чуть менее 700 микрометров; при 1200 °C он простирался почти до 1400 микрометров, образуя глубокую твердую оболочку над более мягким, неизменённым сердечником. Изменение перекрытия между следами лазера в основном влияло на ширину обработанной зоны, а не на саму твердость, причём зоны перекрытия оставались такими же твёрдыми, как и остальная обработанная поверхность.

Твердость не всегда равна долговечности

Хотя более высокая температура давала более глубокий и слегка более твёрдый слой, она также способствовала образованию более толстой оксидной плёнки на поверхности. В испытаниях на износ эта хрупкая плёнка неоднократно отрывалась, оголяя и повреждая упрочнённую сталь под ней. В результате образец, обработанный при 1200 °C, показал наибольший объём износа и более неустойчивый сигнал трения, где доминировал адгезионный износ с прикипанием и вырыванием частиц материала. Для сравнения, при обработке при 1000 °C образовалась гораздо тоньше оксидная плёнка. Когда её мелкие участки отламывались при скольжении, лежащий под ней мартенситовый слой продолжал защищать поверхность, поэтому суммарный износ оставался ближе к уровню необработанной стали, несмотря на значительно более высокую твердость.

Что это значит для промышленности

Исследование показывает, что лазерное закаливание может быстро создать твёрдую, износостойкую оболочку на формовочных сталях при сохранении их ядра пластичным и размерно стабильным. За счёт настройки температуры лазера и перекрытия следов производители могут контролировать глубину упрочнённого слоя, хотя чрезмерно высокие температуры могут ухудшать износостойкость из‑за образования хрупких оксидных плёнок. В целом результаты поддерживают лазерное закаливание как перспективную, готовую к промышленному применению альтернативу традиционной печной обработке для инструментов и матриц, что может продлить срок их службы и повысить надёжность крупносерийного производства пластмасс.

Цитирование: Rodrigues, F.M., Gonçalves, F., Cavaleiro, D. et al. Surface hardening of a mould steel by laser quenching. Sci Rep 16, 12917 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42194-8

Ключевые слова: лазерное поверхностное упрочнение, формовочная сталь, износостойкость, термообработка, промышленные штампы