Способ термической обработки стальных изделий

 

Изобретение относится к термической обработке стали при помощи концентрированных источников энергии, а именно лазерного излучения, и может быть использовано в машиностроении для локального упрочнения поверхности изделий. Цель изобретения - улучшение качества путем увеличения глубины упрочненной зоны. Для этого обработка поверхности изделия импульсным лазерным излучением осуществляется после предварительного объемного охлаждения изделия до температур 80-200° К. 1 ил.

(19) (11) СО)ОЭ СОВЕТСНИХ, СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

А1 (51)4 С 21 В 1/09, 6/04

ГОсудАРстВенный нОмитет

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИФЛ

ПРИ ГКНТ ССа

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ I (21) 4431462/31-02 (22) 19.04.88 (46) 23 ° 11.89. Бюл. ). 43 (71) Донецкий государственный университет (72) 10.È.ÁóðàBëåB, Б.П.Надежда и А.Г.Милославский (53) 621 ° 785.97 (088.8) (56) Ионная имплантация./Под ред.

Дж.К.Хирвонена. М.: Металлургия, 1985, с. 392.

Заявка Японии Y 46-30367, кл. С 21 D 1/09, опублик. 1971.

ИзоЬретение относится к термической обработке стали при помощи концентрированных источников энергии, а именно лазерного излучения, и может быть использовано в машиностроении для локального упрочнения поверхности изделий.

Цель изобретения — улучшение качества путем увеличения глубины упрочненной зоны.

Сущность изобретения заключается в том, что оЬработка поверхности материала лазерным лучом (импульсным) осуществляется после предварительного охлаждения изделия до температур от

200 до 80 К. Обработка производится на люЬой промышленной установке, способной генерировать импульс с плотностью потока до 10 Вт/см2 при миллисекундной длительности. Указанная длительность импульса характерна для

{54) СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИИ (57) ИзоЬретение относится к термической обработке стали при помощи концентрированных источников энергии, а именно лазерного излучения, и может быть использовано в машиностроении для локального упрочнения поверхности изделий. Цель изобретения - улучшение качества путем увеличения глубины упрочненной зоны. Для этбго обработка поверхности изделия импульсным лазерным излучением осуществляется после предварительного объемного охлаждения изделия до температур

80-200 К. 1 ил. большинства промышленных установок, а верхний предел мощности импульса обосновывается тем, что в соответствии с Формулой

q t

PL ÷ñò +Ñ(Т pc Тд ) где Ь вЂ” глуЬина ОЬразующегося кратера;

q — плотность потока излучения; — длительность импульса; я - плотность металла; удельная теплота испарения меи п талла;

С - удельная теплоемкость металла;

Т„„ — температура испарения металла;

Т, - исходная температура металла, при с; ? 10 Вт/см2 начинается заметное эрозионное разрушение поверхности обрабатываемого материала. В случае же

q (10 Вт/см2 возникающий температур1523578 ный градиент недостаточен для получеНия необходимой скорости охлаждения зоны вокруг кратера.

Выбор интервала температур связан с тем, что при Т0200 К не удается получать заметную зону упрочнения вокруг кратера, а при Т C 80 К (например, при температуре жидкого гелия) возникающий градиент температур приводит к растрескиванию металла.

Проведение такой термообработки приводит к существенному изменению размеров и свойств зон термического влияния, что может быть объяснено существенным различием структуры, формирующейся в процессе закалки от температуры плавления до температуры мишени. Скорость закалки определяется градиентом температуры в направлении, перпендикулярном поверхности кратера.

В csoe очередь, этот градиент существенно зависит от температуры мишени, возрастая с ее уменьшением. При очень низких температурах мишени охлажде- ние поверхностных белых слоев происходит с большой скоростью..При этом вблизи кратера образуется.-весьма мелкодисперсная структура с большой. плотностью дислокаций, которой соот-. ветствует микротвердость, превышающая матричное значение. В результате этого появляется возможность регулировать поверхностные свойства изделий из стали.

Предлагаемый способ целесообразно использовать для "чешуйчатой" обра" ботки поверхности, а также в тех случаях, когда требуется .произвести локальное .изменение структуры отдель. ных участков детали °

П р и м.е р 1. Образцы отожженной стали 40Х размерами 30х30х20 мм охлаждают до разных температур из ин.тервала 80-300 К.-В: качестве охлаж.дающей среды. можно использовать жидкий азот. Охлаждение образца контролируется термопарой и потенциометром

ПП-63. Охлажденный образец помещают на плато лазерной установки типа

"Луч-.1И", система фокусируется на поверхность образца и проводится облучение одиночным импульсом. Обработка проводится на воздухе при комнатной температуре окружающей среды. Лазерная установка работает в режиме сво"

1 бодной генерации, плотность потока с т излучения 10 -10 Вт/смэ, длительность импульса 2 "10 з с (длительность определяется конструктивными особенностями данной установки, возможность варьирования в широких пределах от5. сутствует).

После обработки образцы нагревают на воздухе до комнатной температуры, изготавливаются металлографические шлифы, травление их осуществляется в 4 -ном растворе азотной кислоты в этиловом спирте (4 мл кислоты на;-

96 мл спирта). фотографирование микроструктуры проводят на оптическом микроскопе ИИИ-8.

Для оценки механических свойств в облученных объемах применяется метод измерения микротвердости на приборе ПИТ-3. На чертеже представлено влияние. температуры мишени на глубину упрочненной зоны в отожженном (кривая 1) и закаленном (кривая 2} состоянии стали 40Х.

Иеталлографическое излучение шлифов. показало, что лазерное облучение образцов после охлаждения до 80-200 К приводит к существенному изменению толщины упрочненного слоя поверхности и его твердости:

Т, К и, кгс/мм мишени

30 80 720

120 70-0

200 670

300 (режим 650 известного способа прототипа)

Пример 2. Образцы закаленной стали 40Х подвергают лазерной обработке аналогично примеру 1. Наблюдается изменение глубины упрочненного

40 слоя (чертеж) и твердости поверхности:

Т, K Н, кгс/мм2 мишени

80 820

120 800

45 200 770

300 (режим из" 750 вестного способа)

Таким образом, эти данные свидетельствуют о том, что применение

® предлагаемого способа позволяет изменять глубину упрочненного слоя сталей и, соответственно, его свойства.

Способ отличается относительной простотой, и экономичностью, так как от55 падает необходимость во встраивании, ванны с охлаждающей средой в лазерную установку, увеличением срока ( службы деталей в силу создания более

Способ термической обработки стальных изделий, включающий предваритель1

12

Ф

В 6

Ф

В ь, ф

Фр с

60 ggg 5N

Мнтраеура ииаани, К

Составитель А.Кулемин

Редактор H.ßöîëà Техред Л.Сердокова

Корректор И.Васильева

Заказ 7007/26 Тираж 530 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открйтиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина,101

5 1523578 6 прочной поверхности и будет эффектна- ное объемное охлаждение до заданной ным в случаях локальной обработки из- температуры и нагрев поверхности под делий. закалку импульсным лазерным излучени5 ем, отличающийся тем, Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я что, с целью улучшения качества путем увеличения глубины упрочненной зоны, предварительное охлаждение осуществляют до 80-200 К.