Состав для лазерного легирования стальных изделий

 

Изобретение относится к составу. для химико-термической обработки металлов и сплавов, а именно к лазерному легированию. Цель изобретения .- повышение микротвердости nor верхности стальных изделий и их динамической поверхностной прочности. Состав содержит, мас.%: диоксид титана 55-65, борный ангидрид 34-42, углерод 1-3. Обработка поверхности с использованием состава производится технологическим лазером типа Квант. Микротвердость стальных изделий при высокой динамической поверхностной прочности увеличивается в 1,4 раза. 1 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (511 4 С 23 С 8/52

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К A ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОЧНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4243369/31-02 (22) 12.05.87 (46) 30.03.89. Бюл. 9 12 (7l) Брянский институт транспортного машиностроения (72) Ю.В.Колесников и В.П.Инютин (53) 621 ° 785.53(088.8) (56) РЖ Металлургия, 1985, У 5, реф. В 541212.

Авторское свидетельство СССР

li- 831859, кл. С 23 С 9/04, 1981. !

<54) СОСТАВ ДЛЯ ЛАЗЕРНОГО ЛЕГИРОВАНИЯ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ (57) Изобретение относится к составу

Изобретение относится к металлургии, в частности к лазерной химикотермической обработке, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей машин и инструмента, изготовленных из высокоуглеродистых сталей.

Целью изобретения является повышение микротвердости и динамической прочности упрочненного поверхностного слоя изделия.

Состав для лазерного легирования содержит диоксид титана, а также борный ангидрид и углерод при следующем соотношении компонентов, мас.X:

Диоксид титана 55-65

Борный ангидрид 34-42

Углерод 1-3

Диоксид титана является титаносодержащим веществом. В результате его

„„SU„„14689 2 А1 для химико-термической обработки металлов и сплавов, а именно к лазерному легированию. Цель изобретения . — повышение микротвердости по-. верхности стальных изделий и их динамической поверхностной прочности.

Состав содержит, мас.%: диоксид титана 55-65, борный ангидрид 34-42, углерод 1-3. Обработка поверхности с использованием состава производится технологическим лазером типа

"Квант", Микротвердость стальных иэделий при высокой динамической поверхностной прочности увеличивается в 1,4 раза. I табл..разложения за счет лазерного нагрева образуются активные атомы титана.

Борный ангидрид является боросодержащим веществом — его разложение ведет к образованию активных атомов бора, Соединение активных атомов титана, бора при лазерном нагреве приводит к синтезу боридов титана. Процентное содержание диоксида титана и борного ангидрида выбирается таким образом, чтобы реакция лазерного синтеза протекала наиболее благопри/ ятно . Увеличение двуокиси титана свыше 65% эа счет снижения борного ангидрида ниже34%) приводит к падению величины микротвердрсти слоя. Увеличение борного ангидрида свыше 42% и снижение процентного содержания диок" сида титана ниже 55% также ведет к уменьшению микротвердости.

1468962

Углерод в составе выполняет двоякую функцию. С одной стороны он способствует поглощению лазерной энергии, соответственно, активному разложению диоксида титана и борного ангидрида, с другой стороны приводит к образованию карбоборидов титана, что дополнительно повышает микротвердость и поверхностную прочность, l0

При содержании углерода менее 17. такое благоприятное его влияние на активизацию реакции становится незначительным, Превышение содержания углерода более 37 приводит к интенсивному егo BbJIoðàíèþ, и процесс лазерного легирования не осуществляется.

Указанные свойства компонентов, вводимых в состав предлагаемой смеси, позволяют получить на поверхности сталей слой с высокой микротвер достью и динамической прочностью.

Установлено, что создание слоев, содержащих только в основном нитрид титана, не дает требуемой микро- 25 твердости (она достигает 10-12 ГПа}.

Слои, содержащие карбиды и карбонитриды титана, дают высокую микротвердость (до 25 ГПа), но характеризуются повышенной хрупкостью, причем 30 первые даже при статических нагрузках. Бориды и карбобориды железа, полученные в железной или стальной матрице после лазерной обработки, также обладают повышенной хрупкостью, особенно при динамических нагрузках, Известно, что более высокие микро" твердость и прочность по сравнению с указанными веществами имеют бориды титана. Карбид бора хотя и имеет высокую микротвердость, однако хрупок, Исследования по прочности тугоплавких (твердых) соединений показывают, что в условиях равновесно- 45

ro спекания добавка одних соединений к .другим даже в небольших количестВах может существенно изменять физико-механические свойства композита.

Однако даже B условиях равновесного 50 получения веществ невозможно наперед предсказать какие добавки чего к чему приведут к изменению тех или иных свойств, В условиях лазерного нагрева плазмохимические реакции разложения и образования соединений происходят в неравновесных условиях, поэтому получение поверхностного слоя с заданными эксплуатационными свойствами представляет трудную (и долго прорабатываемую) задачу. Непосредственно введение уже готовых таких сверхтвердых материалов как бориды и карбиды титана, карбид бора в железную матрицу (с целью их внедрения) приводит к значительному или даже полному их выгоранию. Поэтому известные составы на базе боридов и карбидов титана, а также карбида бора оказались неприемлемыми для создания после лазерной обработки на поверхности стальных изделий слоя, обладающего и высокой микротвердостью и высокой динамической поверхностной прочностью.

В предлагаемом составе подобрана такая комбинация окислов титана и бора, которая в условиях лазерного нагрева обеспечивает мгновенное расплавление смеси, разложение окислов до атомарного титана и бора, соединение их в бориды титана и внедрение в стальную матрицу. Введение в предлагаемый состав также дополнительно небольшого количества углерода способствует поглощению световой энергии смесью, восстановлению активных атомов титана и бора и синтезу карбоборидов титана, которые в смеси с боридами титана обеспечивают получаемому поверхностному слою высокие эксплуатационные свойства.

Пример. Проводили лазерное легирование поверхности закаленной стали У8 с помощью предлагаемого состава. Изготавливалась суспензия из порошков компонентов состава и стандартного связующего (507-ный раствор клея БФ-2 в ацетоне), которая пульверизатором наносилась на плоскую поверхность испытуемых образцов .

Соотношение порошковой смеси и стандартного связующего (507.-ный раствор клея БФ-2 в ацетоне) должно быть 1:5. Это условие диктуется необходимостью равномерного нанесения состава на поверхность. При других связующих соотношение может быть иным.

Поскольку связующее в условиях лазерной обработки выгорает раньше, чем начинается плазмохимическая реакция, его влияние на конечный результат значительно меньше, чем содержание компонентов в порошковой смеси состава. Более важным является воп5 146 рос совместимости порошковой смеси

II II и связующего — в ряде случаев суспензия или обмазка может сворачиваться.

Толщина наносимого слоя состава диктуется необходимостью проплавления продуктов реакции с основным материалом. Для предлагаемого состава целесообразно наносить слой толщиной

0,2-0,3 мм. После просушивания поверхности на воздухе (в течение

20 мин) проводилась обработка ее лучами лазера на лазерной установке

"Квант-18" с оптическим генератором импульсного действия на неодимовом стекле. Режимы лазер юй обработки следующие: энергия облучения V =

= 50 Дж; длительность импульса

2 мс, диаметр пятна d = 5 мм; коэффициент перекрытия К = 0,4-0,5. Микротвердость Н обработанной поверхности измеряли на микротвердомере

ПМТ-3 при нагрузке 0,5 Н, В порошковой смеси используются следующие компоненты:

Двуокись титана ТУ 6-09-2166-71

Борный ангидрид ТУ 6-08-400-78

Углерод — графит порошкообразный ГОСТ 17022-81, а в связующем:

Клей БФ-2 ГОСТ 12172-74

Ацетон ГОСТ 2603-79

Испытания на динамическую поверхностную прочность проводили путем удара по обработанной поверхности твердосплавным (из карбида вольфрама) коническим индектором с углом

0 при вершине 120 при удельной энергии удара W = 2 МДж/м (3,4). Критерием высокой динамической поверхностной прочности являлось отсутствие после удара вокруг отпечатка трещин, наблюдаемых в микроскоп со стереоскопическим эффектом МВС-100 при стократном увеличении.

Сравнительные данные по микротвердости и динамической поверхностной прочности стали У8 при использо"вании известного и предлагаемого составов приведены в таблице, Из приведенных данных следует, что в известном составе оптимальным является содержание диоксида титана

60Х, углерода 40Х.(пример IV),. Вообще допустимо соотношение: диоксид титана 60"70K, углерод — остальное.

Оптимальное содержание компонентов

8962 предлагаемого состава обеспечивается в примере 3. Сравнение показывает, что предлагаемый состав обеспе5 чивает высокую динамическую поверхностную грочность (снижение величинь. остаточной контактной деформации на 25-40X) при одновременном увеличении микротвердости в 1,5-2 раза, Проведено также сравнение предлагаемого состава со сходным, используемым при термодиффузионном боротитанировании, Химико-термическая обработка стали У8 с применением оптимального согласно описанию (2), состава боротитанирования при укаэанных режимах обработки (температура 950 С, время насыщения 4 ч) дает следующие резуль20 таты: микротвердость на поверхности до 15 ГПа, диаметр остаточного отпечатка 728 мкм.

Изготавливалась суспензия из порошков известного состава (2) в оп25 тимальной пропорции компонентов и стандартного связующего (50X-ный раствор клея БФ-2 в ацетоне) . Соотношение порошковой смеси и связующего бралось 1:5. Суспензия пульвеЗ0 ризатором наносилась на закаленную поверхность стали У8. Толщина наносимого на поверхность слоя составляла до 0,3 мм. Согласно описанию эа оптимальный принимался порошковый состав смеси при следующем соотношении компонентов, мас.7:

Борный ангидрид 23,5

Диоксид титана 4

Окись алюминия 48

Порошок алюминия 22,5

Фто ристый натрий l

Сера 1

Условия лазерной обработки и проведения испытания были те же, что

45 и для предлагаемого состава (энергия облучения 50 Дж, длительность импульса 2 мс, диаметр пятна 5 мм, коэффициент перекрытия 0,5, удельная энергия удара 2 МДж/м ).. При этом была до5п стигнута микротвердость лишь всего

10,6 ГПа, а диаметр остаточного отпечатка составит 878 мкм. Качество полученной поверхности было в высшей степени неудовлетворительным (наплы55 вы выплески и т.д.)

Формула изобретения

Состав для лазерного легирования стальных изделий, преимущественно

as инструментальных сталей, включаю1468962 ный ангидрид при следующем соотношении компонентов, мас.7.:

Диоксид титана

Борный ангидрид

Графит

55-65

34-42

1-3

Режим лазерной обработки

Микро- Удельная твер- энергия дость, удара, ГПа . МГж/м

При- Состав, мас.7. мер, 11/о

Диаметр отпечатка, мкм атериал

Известный (прототип) У8 V--50 Дж кал, <=2 мс о=5 мм

K=0 5 и и и и !

Н и

11

Н

Н и

Ц и и и

«Н и

Н и и

l1

11 и и

Н

«Н» и

701

629

562

687

Не испыт.

16

23

28

21

Нет тверН

Н

Н»

Н дости

Составитель Булгач

Редактор М,Бандура Техред М.Дидык Корректор О. Кравцова

Заказ 1320/27 Тираж 938 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета но изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r.Óàrîðîä, ул. Гагарина, 101 щий диоксид титана и графит, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения микротвердости и динамической прочности поверхностного слоя изделия, он дополнительно содержит бор-! I 07 C+ 1 00 Ti0

П 207. С + 80X TiO

III 307 С + 707. TiO

IV 407 С + 607. TiO

Ч 607 С + 407. TiO

VI 80X С + 20X TiO

VII 100X С + 0% TiO

Предлагаемый

1 0,5C+70TiO +29,52 В О

2 1C+65TiО,34В О

3 2C+60Ti0 +38В О

4 3C+55TiO +42В О

5 4C+60TiO +36B O

13,1

14,1

14,8

15,2

13,1

12,2

11,4

756

732

721

707

756

780 . 805