Способ термического упрочнения поверхности металлических изделий

 

СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОГО УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ , включаклций нанесение на нее поглощающего покрытия, нагрев сканирукнцим сфокусированным лазерным лучом, отличаюгцийся тем. что носност при покр удел &Н где I t t 4 с целью повышения производительГ за счет вклада в ндгрев поверхи изделия знергии, вьщеляюцейся экзотермической реакции покрытия, ытие наносят из материала с ьной теплотой сгорания 20 кОж/г и толщиной п(Тг-.Т,) 1)8 г - теплопроводность покрытия; Т - температура гореиия покры Tg - температура воспламенения покрытия плотность поглощенной мощности лазерного излучения ,.. радиус пятна нагрева; плотность покрытия; скорость сканирования лазерного луча} толщина покрытия. V

„SU„„326295 (51)5 С 21 В 1/09, 1/06

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСНОЬФ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

3 фй (46) 23.06.93. Бюл. Р .23 (21) 3836402/02 (22) 02.01.85 (71) Институт высоких температур

АН СССР (721 В.Т.Карпухин, А.В.Кириллин, С.П.Малыяеико„ О.И.Осипов и С.Л.Данилов (56) Гречин А.Н. "Исследование влияния излучения непрерывного и импульсного лазеров на структуру и свойства ковких чугунов". Автореферат днссер", тации на соискание ученой степени, к,т.н.Москва, ЗИЛ, 1982.

Авторское свидетельство СССР

В 1014925А, «л. С 21 В I/09, 1983. (54) (57) СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОГО УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ, включающий нанесение на нее поглощающего покрытия, нагрев сканирующим сФокусированным лазерным лучом, отличающийся тем, что, с целью повыиения пронэводительности sa счет вклада в нагрев поверХности иэделия энергии, выделяющейся при экэотермической реакции покрытия, покрытие наносят иэ материала с удельной теплотой сгорания аН - 20 кДк/г и толщиной е„(т,-т), у ьи ч где э„ - теплопроводность покрытия

Т, - температура горения покрытия

У

Ф

Тв - температура воспламенения покрытиями

g --. .плотность поглощенной мощности лазерного излучения

R - радиус лятна нагрева )

P - плотность покрытия;

" - скорость сканирования лазерного луча;

4 - толщина покрытия.

1262956 2

Изобретение относится к металлургии, конкретнее к термической обра" ботке поверхностей изделий иэ металлов и сплавов при помощи лазера, и может быть использовано для поверх- . ностного упрочиения деталей машин, валков прокатных станов и других, главным образом крупногабзрнтных изделий.

Цель изобретения - увеличение производительности способа за счет . вклада в нагрев поверхностей изделия энергии, выделяющейся щ м экэотермнческой реакции покрытия.

Сущность изобретения .состоит в том, что поглощающее лазерное излучение покрытие выполняет дополнительно функцию; горейме покрытия дает вклад энергии в нагрев изделия в пятне нагрева за счет инициирован" ной и поддерживаемой лезерным излучением экзотермической реакции Bh воздухе или в кислороде.

Нижний предел h определяется из условия, что выделившаяся B единицу времени энергия горения составляет ие менее 50, от йоглощенной мощности лазерного излучения, А верхний — условием выгорания всего слоя покрытия в процессе обработки

1 З„(т„-т,) где s„ — теплопроводност* нокрытня;

Т вЂ” температура горения покрытия;

Т " температура воспламенения е покрытия .

Плотность мощности лазерного излучения и скорость обработки используются обычные при лазерном .термоупрочнении t,g " 10 "IO Вт/см

Я I " 0 1-10 мlмин), Дополнительный энерговклад от го1-.ения покрытия в пятне нагрева может превышать энерго. вклад лазерного излучения до десяти раз, что дает возможность повысить . производительность процесса до трех

Раз, что показано ниже.

Такое выполнение способа позволяет снизить энергозатраты на лазерное термоупрочнение металлоизделий и дает возможность повысить производительность процесса. За время лазерной обработки t = "tq в пятне нагрева с радиусом К поглотнтся лазер" л 3 ная энергия, равная g . Р ™ за

Э то же время при условии полного сго45

Производительность процесса лазерного термоупрочнения можно повысить следующим образом. Прн неизменной мощности используемого для обработки лазера, если необходимо по технологическому режиму обеспечить для эффективной закалки данного иэделия суммарную подводимую плотность мощности. 10 Вт/см, то

2 ис поль з уя предлагаемый метод, можно создать условия обработки прн глотности мощности лазерного излучения !

О Вт/см при нанесении горящез го в пятне нагрева покрытия толщиной Ь 1 мм, а это значит, что можно увеличить площадь пятна нагрева в три раза, и, следовательно, при той же скорости сканирования лазерI, рания поглощающего покрытия выделяется энергия экзотермической реак ции горения, равная Я„ ttHp R Il., При минимальной эффективности энерговкллда от горения покрытия с условием Я, > 0,5 О, для получения данно" го и большего энергетического эффек та необходимо нанесение покрытия, толщиной It большей, чем 1,> ф

10 . tttpV

Численные оценки возможных диапазонов толщин покрытия при использовании наиболее распространенных режимов термообработки (ьрщность лазера

-1 кВт, V,ð - 2 см/с, ьН ©25 кДж/г, 1,:5 г/см, 1„"-. 0,25 Вт/см ° К) дают следующие результаты: а) при

10 В/см и Т,- Ть = 500 К, 60 мкм 6 h < 1200 мкм, б} при ф

I0 .Вт/см и Тр- Тз "- 1500 К вЂ”

250 мкм h < 350 мкм. Эти результаты показывают, что при плотностях поглощаемой лазерной энергии

g - -10 Вт/см нанесение слоя сгораемого в лазерном пятне покрытия толщиной порядка 1,2 мм дает вклад энергии, выделившейся при зкзотермической реакции горения, примерно в десять раз превышающий энергию грею. м щего лазерного излучения. Если при" менять режим с ф- 10 Вт/см, то

Z оба энерговклада имеют один порядок величины, т,е. общая. знергия на обработку увеличивается вдвое. Прн плотностях. мощности поглощаемого г лазерного излучения о,> 10 Вт/см энерговклад от сгорания покрытия относительно невелик и применение предлагаемого способа стаиовнтся ма40 лозффектнвным.

3 1262 нога луча по обрабатываемой детали время ее обработки уменьшается тоже в три раза (как и время работы лазерной установки).

На фиг.1 дан график зависимости температуры от времени обработки, (где 1 — для покрытия фосфат марганца с толщиной 15 мкм и

hH <1О кДж/г; 2 — для покрытия эмали

ХС 1107 r толщиной «!50 мкм и !О

ЬН 25 МкДж/г; на фиг.2 — график зависимости температуры от времени обработки для покрытия различной толщины (кривая 3}; на фиг.3 " -график эависииасти температуры от вре- !5 мени обработки, где 4 — при обдуве аргоном, 5 — при обдуве воздухом.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. ."4 -.. -0 Вф@тывалис ь металлические 20 изде я,"(из Ст.4$ и чугуна СЧ12-28) в н е пилнндра (диаметр 40 ми, длина 80 мм) непрерывным излучением

СО -лааера мощностью до 1 кВт на

2 воздухе с двумя типами покрытий: фосфат марганца с толщиной «15 мкм и д H <10 кДж/г, и эмаль ХС 1107Г, толщиной -150 мкм и hH > 25 кДж/г (характерная удельная теплота горения углесодержащим материалов). 30

Выбранная толщина покрытия ХС 1107 Г, равная 150 мкм, близка к минимальной эффективной толщине, при проводимом режиме обработки с параметрами:

С ""10 Вт/см, V 2 см/с, R 0,1 см, 35

l,5 г/см, %„ 0,25 Вт/си К, Т, — Тв 1500 К этот.диапазон будет

130 мкм Ь 350 мкм. При обработке в одинаковых условиях температура поверхности, регистрируемая пирометром, с органическим покрытием

ХС 1107 Г бьн .а примерно на 600 К выше, чем у фосфатированных образцов (см.фиг.1). Этот эффект, как показывают расчеты, можно объяснить только выделением энергии при горении покрытия ХС 1107 Г (энергонкладом от горения покрытия иэ фосфата марганца н данном случае можно пренебречь, т.к. очень малы н Ь Н и 3) .

Анализ образцов после лазерной обработки показал увеличение твердости поверхности н 3-5 раэ.

Для доказательства ныполнения предлагаемого способа проводился 55 следующий эксперимент ° На одном образце (аналогичном п.а.) была нанесена двв слоя поглощающего лазер956 4 чое излучение покрытия ХС 1107 Г с различной, толщиной: lt, = 50 мки и

1! 500 мкм. Выбор величин h, и я был сделан из следующих соображений.

Толщина h близка к минимальной из рекомендуемого диапазона при данных условиях эксперимента: g "- 3.!О Вт/ э

/си, V - 0,5 м/мин, R 0,6 мм и

= 60 ики, s толщина )! близка к максимальноиу значению: при

- 0,25 Вт/см К, Т вЂ” Тв 700 К, я„«, "- 580 мкм. о есть, в эксперименте должен максимально проявиться эффект горения покрытия в зависииости от его толщины. При нагреве образца с постоянными g и М регистрировалась температура центра пятна нагрева на участках с различной толщиной покрытия (см.фиг.2).

Из термограммы видно, что на участ . ке с,большей толщиной покрытия

500 мкм температура выше на

400 К. Эту разность, как показыва. — ют расчеты, можно объяснить только большей выделившейся энергией сгорания покрытия на участке с толщиной

Расчеты показывают, что плотность мощности выделившейся энергии горения при толщине покрытий ХС

1107Г, равной 500 мкм, превышает плотность мощности падающего греюще" го лазерного излучения почти в два раза.

Для доказательства того, что тем« пература поверхности увеличивается в предыдущих экспериментах именно эв счет горения покрытия, а не других причин, был проведен следующий эксперимент..Аналогичный образец с покрытием ХС 1107 Г, равномерно нане сенным по всей поверхности с толщиной 50 мкм, облучался лазером с плотностью мощности g - 5 А !0 Вт/см э 2 н перемещался с постоянной скоростью

Ч - 0,2 м/мин. Во время лазерного воздействия пятно нагрева попеременно обдувалась то инертным газом аргоном, то воздухом. Термограмма регистрировалась пирометром и приведена на фиг.3. Иэ нее видно, что при обдуне аргоном температура образца при прочих равных условиях на 200 ниже, чем при обдуне воздухом. Это объясняется тем, что аргон препятствует доступу кислорода к пятну нагрева, тем самым процесс горения сильно затрудняется, а, следонательно, и снижается темпера ю se,xpnr»

Фи».й

> 6 t a t ef;e

«gd

Составитель А.Кулемнн

Редактор НЛимоннна Техред Л.Сердюкова Корректор C.Íåêèàð

Заказ 2377 Тирам Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035. Иосква, Ж-35, Раушская.наб. ° д.4/5.Производственно-полиграфическое предприятие, г.уягород, ул. Проектная, 4

5 !2 тур» пятна нагрева, что и было экспериментально доказано. Вццеление энергии и, следовательно» повыщенне температуры лазерной обработки происходит именно эа счет сгорания покрытия в пятне нагрева.

Предлагаемый способ по сравнению с известнмя позволяет снизить энер.гоэатраты нв лазерное термоупрочнеwe металлоизделий и повысить произ. водительность процесса. В известном способе применялся следующий режим лазерной закалки: плотность мощности лазерного излучения $ 4,5»

»1О Вт/си, скорости сканирования .

Ч 1 си/с. Этот ке тепловой поток моаио создать на поверхности образца при нанесении по предлагаемому способу горящего в лазерном пятне покрытия толщиной h "- 500 мки и с . 6 Н 25 ко/г при облучении лазером

3 t. с плотностью мощности " 10 Вт/см .

Это вытекает из следующих оценок .

;при указанном реаиие обработки

62956 б ,(у» IO Вт/см » Ч 1 си/с, Ф

0,25 см, йй 25 ко/г» %а

0,25 Вт/см К, P !»5 г/си °

Т,- Та = 500 К диапазон рабочик толщнн покрытия будет 70 мки а h в

-1250 мки. При нанесении покрытия, толщиной 1 500 икм выделившаяся мощность энергии горения будет сос« тавлять g», 0,5 10 ° 500/70 3,5<

16 10 Вт/си . Вместе с мощностью лазерного излучения q + 10 Вт/см сум2 маркая плотность мощности иа поверхности обрабатывяеиого иэделия бу3 дет составлять q ®3,5»10 + 1 10

15 4,5 10 Вт/см, что и требовалось для закалки изделий прототипа.

Следовательно, при той ще мощности лазера можно увеличить обрабатываемую в единицу времени площадь s

20. 4,5 раза и при той ае скорости сканирования уиеньанть время обработки детали и время работы лазера в 4,5 раза, что приведет к соответствующеиу сниманию энергозатрат

? на лазерное термоупрочнение.