Состав для лазерного легирования стальных изделий

 

Изобретение относится к металлургии , в частности к химико-термической обработке с использованием лазерного нагрева, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей машин , изготовленных,преимущественно, из углеродистых сталей. Цель изобретения - повышение трещиноетойкости обработанных изделий при контактном ударно-циклическом нагружении„ Сос тав для лазерного легирования стальных изделий содержит, мас„%: силикомарганец 28-40; оксид никеля 6-12, карбид кремния 15-25, аморфный бор - остальное. Использование предлагаемого состава обеспечивает повышение треачиностойкости обработанных изделий при контактном ударно-циклическом нагружении в 2-4 раза. 1 табл. S

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (19) (l1) (51)5 С 23 С 8/72

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ П4НТ СССР (2! ) 4464 088/02 (22) 20.07.88 (46) 23.03.91. Вюп. М 11 (71) Брянский институт транспортного машиностроения (72) Г.И.Сорокин, Ю.В.Жостик и Ю.В.Колесников (53) 621.785.5 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 1452177, кл. С 23 С 8/00, 1987. (54) СОСТАВ ДЛЯ ЛАЗЕРНОГО ЛЕГИРОВАИИЯ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ (57) Изобретение относится к металлургии, в частности к химико-термической обработке с использованием лазерного нагрева, и может быть исИзобретение относится к области металлургии, в частности к химикотермической обработке с использованием лазерного нагрева, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей машин, изготовленных преимущественно из углеродистых сталей.

Цель изобретения — повышение трещиностойкости обработанных изделий при контактном ударно-циклическом нагружении.

Указанная цель достигается введением в состав для лазерного легирования на основе бора и карбида кремния дополнительных компонентов: силикомарганца и оксида никеля при следующем соотношении компонентов,мас.7.: пользовано в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей машин, изготовленных, преимущественно, из углеродистых сталей. Цель изобретения — повышение трешиностойкости обработанных изделий при контактном ударно-циклическом нагружении. Состав для лазерного легирования стальных изделий содержит, мас.Е: силикомарганец 28-40; оксид никеля 6-12, карбид кремния 15-25, BMopAHblA бор— остальное. Использование предлагаемого состава обеспечивает повышение трещиностойкости обработанных изделий при контактном ударно-циклическом нагружении в 2-4 раза. 1 табл.

Силикомарганец 28 — 40 .Оксид никеля 6-12 . С

Карбид кремния 15 — 25

Аморфный бор Остальное

Содержащийся в силикомарганце в большом количестве (80K) марганец обеспечи- 1 вает достижение прочности и твердости © покрытия за счет образования боридов марганца. Содержащийся в силикомарганце в достаточном количестве кремний (207) обеспечивает жидкотекучесть состава во время лазерного проплав- . 3 пения и соответственно равномерность 3 получаемого покрытия. Образующиеся при этом силициды, обладающие повышенной пластичностью, создают вязкую матрицу в получаемом композици1636476 4

25

35

45

55 онном покрытии и соответственно повышают его трещиностойкость.

Карбид кремния способствует повышению поглощательной способности лазерной энергии покрытием, нанесенным из состава на обрататываемую лазером поверхность. Поскольку, как известно, полного разложения карбида кремния в момент лазерной обработки не происходит, его присутствие в легированном слое благоприятно сказывается на прочности. Дополнительное введение в состав закиси

-никеля приводит к повышению пластичности покрытия и соответственно треУ щи но стойкости о

В предлагаемом составе подобрана такая композиция .химических соединений, которая обспечивает повышенную трещиностойкость при контактном ударно-циклическом нагружении поверхностей, упрочненных лазерной обработкой с применением предлагаемого состава.

Компоненты выполняют следующие функции.

Бор является основным упрочняющим компонентом и представляет собой порошок темно-бурого цвета с т.пл.

2075 С. При температурах свыше

1000 С бор активно вступает в реакцию с металлами, в том числе и с марганцем, до образования боридов.

Бориды марганца Mn < Вч обладают высокой микротвердостью (свыше 20 ГПа) и прочностью при ударных нагрузках.

Силикомарганец вводится в состав в виде мелкодисперсного (."20 мкм) порошка темного цвета, содержащего

20 Si и 80 Мп. Марганец с т.пл. . 1244 С в процессе лазерной обработки вступает в реакцию с бором, образуя бориды марганца. Кремний с т.пл.

1415 С повышает жидкотекучесть расплава, образующегося при лазерной обработке, и обеспечивает таким образом равномерность распределения легирующих элементов в упрочненном слое. Кроме того, кремний соединяется с бором и железом до образования пластичных силицидов, обеспечивая тем самым достаточную вязкость получаемого покрытия. При введении в состав менее 28 силикомарганца получение равномерно .легированного слоя затруднено, кроме того, ослабляется процесс образования твердых и прочных боридов марганца и относительно пластичных силицидов. Увеличение содержания силикомарганца свыше 40Х приводит соответственно к существенному снижению концентрации основного упрочняющего компонента бора,в результате чего не наблюдается повышения прочности и твердости покрытия по сравнению с известным составом.

Карбид кремния входит в предлагаемый состав в виде мелкозернистого (-20 мкм) порошка черного цвета. Обладая высокой твердостью и объемной прочностью, он повышает прочностные свойства покрытия, а также способству. ет увеличению поглощательной способности состава. Уменьшение содержания карбида кремния ниже 15Х снижает твердость покрытия, а увеличение свыше 25Х приводит к росту трещинообразования при ударных нагрузках. Оксид никеля представляет собой порошок темно-зеленого цвета с т.пл.

1990 С и вводится в предлагаемый о состав для создания в упрочняемом слое пластичной, никелевой матрицы, обеспечивающей высокую трещиностойкость, так как при нагреве свыше

1200 С в присутствии кремния, В и С он разлагается с выделением металлического никеля. Содержание оксида никеля свыше 12Х значительно уменьшает твердость покрытия, а менее б не обеспечивает достаточной пластичности.

Для экспериментальной проверки предлагаемого. состава подготовлены шесть смесей ингредиентов, три из которых показывают оптимальные результаты. В качестве связующего используется 20 -ный раствор клея БФ-2 в аце,тоне. Обмазку получают механическим смешиванием состава и связующего, кистью наносят ее на обрабатываемую торцовую поверхность образцов размером 9 12 х 12 мм из закаленной стали 45.

Термическая обработка изделий, подлежащих лазерному упрочнению с использованием предлагаемого состава, проводится по следующей схеме: закалка с температуры, соответствующей данной марке стали, затем низкий отпуск при 180 — 200 С в течение 1 ч.

Лазерная обработка проводится импульсным излучением с длиной волны

1,06 мкм на установке "Квант-18М".

Энергия импульса составляет 32 Дж, 1636476 6 ше 407 (состав 7) вызывает значительное снижение твердости и прочности покрытия за счет уменьшения концен5 трации основного упрочняющего компонента — бора. Уменьшение содержания карбида кремния ниже 157 (составы

2 и 3) снижает твердость покрытия, а увеличение свыше 257 (состав 7) не способствует повышению прочности покрытия. Содержание оксида никеля менее 67. (составы 2 и 3) не обеспечивает пластичности покрытия, а увеличение свыше 127 значительно умень15 шает твердость и прочность покрытия, Содержание таких компонентов, как силикомарганец, карбид кремния и.

20.окснр, никеля в меньшем количестве (составы 2 и 3), чем в предлагаемом составе, не оказывает существенного влияния на повышение трещиностойкости. Увеличение содержания этих ин25 гредиентов выше предлагаемого приводит к снижению твердости и трещиностойкости покрытия (состав 7).

Анализ данных, приведенных в таблице, показывает, что использование предлагаемого состава позволяет повысить трещиностойкость обработанных изделий в 2-4 раза по сравнению с обработкой с использованием известного состава. длительность импульса 8 мс, форма зоны лазерного воздействия прямоугольная с размерами 1,5 х 4 мм, коэффициент перекрытия 0,4, Соотношение порошка предлагаемого состава и связующего выбирается из условия обеспечения вязкости обмазки необходимой для равномерного нанесения состава на упрочняемую поверхность, и является следующим: на 1 г порошка требуется 5 мл связующего.

Толщина нанесенной на образцы обмазки составляет 0,2 мм. В состав введены следующие вещества: силикомар ганец; карбид кремния; окись никеля; аморфный бор.

Для исследования трещиностойкости ло упрочненной поверхности образцов

|осуществляется многократный (на базе

N=1000 циклов) удар коническим твердосплавным индентором с углом .при вершине 120 С и массой 0,46 кг,,со скоростью 0,33 м/с. Параметры нагружения выбираются из условия по.лучения трещин на всех образцах для возможности проведения сравнительного количественного анализа по трещиностойкости образцов. На микроскопе определяют диаметр отпечатка индентора, количество трещин и их протяженность. Микротвердость измеряют на приборе при нагрузке 0,5 Н. Повторность экспериментов трехкратная.

В таблице представлены полученные свойства образцов, легированных из обмазок на основе предлагаемого состава с различным соотношением ингредиентов, а также известного состава.

Сравнение предлагаемого состава 4О производится с базовым (1007 аморфного бора) и известным составом при обработке по аналогичной технологии.

Из таблицы видно, что содержание силикомарганца менее 287. (составы 45

2 и 3) не обеспечивает повышение трещиностойкости покрытия,так как в этом случае получение равномерно легированного слоя затруднено, а также ослабляется процесс образования прочных боридов марганца и относительно пластичных силицидов. Увеличение содержания силикомарганца свыФормула и з о б р е т ения

Состав для лазерного легирования стальных изделий, преимущественно из углеродистой стали, содержащий карбид кремния и борсодержащий компонент, отличающийся тем, что, с целью повышения трещиностойкости обработанных изделий при контактном ударно-циклическом нагружении, в качестве борсодержащего компонента он сбдержит аморфный бор и дополнительно силикомарганец и оксид никеля при следующем соотношении компонентов, мас.7:

Силикомарганец 28 — 40

Оксид никеля 6-12

Карбид кремния 15 - 25

Аморфный бор Остальное

1636476

Содержание, мас.7, в составе

Радиальные трещины

Диаметр отпечат ка, мм

Микро тв ер" дость, ГПа

Состав

Сиди- Карбид Оксид Бор комар- кремния никеля ганец

Коли- Средняя чест- длина, во мм

12,3-20,1

12,3-19,5

Ф

2. 20 10

0,861

0,861

Осталь0,468

0,588 Базовый состав.

1 + Известный состав, содержащий, мас.X: оксид кремния 26, борный ангидрид 14, карбид кремния — остальное.

Составитель А.Булгач

Редактор Н.Бобкова Техред Л.Олийнык

Корректор Т.Малец

Заказ 798 Тираж 563 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета. по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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

3 25 12

4 28 15

5 34 20

6 40 25

7 45 30

8 ное

6

12

13, 1-21,3

15,2-25,8

15,2-25,8

15,2-23,4

9,5-14,1

26,83 (средняя) 0,847

0,806

0,750

0,806

0,875

0,750

2

1

0,431

0,417

0,396

0,396

0,431

0,325