Способ поверхностного упрочнения металлических изделий

 

Изобретение относится к технологии металлов и может быть использовано для химико-термической обработки изделий. Целью изобретения является повышение антифрикционных свойств изделий. Способ предусматривает нагрев поверхности развернутым электронным лучом до температуры 800-1000°С, последующее нанесение на нее медного сплава и нагрев последнего электронным лучом со скоростью 50- 3000°С/с до температуры (1,0-1,2) Тпл медного сплава.2 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)ю С 21 0 1/09

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4638022/02 (22) 16.01,89 (46) 30.10.91. Бюл, hL 40 (72) И.Л. Поболь, А.А. Шипко, И,Г. Урбан и

В.Ф. Алехин (53) 621.78,621.9.048.7(088.8) (56) Коваленко В,С, Лазерное и электроннолучевое упрочнение металлов. M,: Наука, 1986, Авторское свидетельство СССР

t4 908851, кл. С 21 D 1/09, 1982, Изобретение относится к технологии металлов и может быть использовано для термической обработки деталей.

Цель изобретения — повышение антифрикционных свойств изделий.

Сущность предлагаемого способа комплексной обработки заключается в том, что при скоростном нагреве электронным лучом иэделия происходит прогрев сплава до необходимой температуры на требуемую глубину, обезгаживание поверхностного слоя, очистка от летучих примесей. Тем самым этот слой подготавливается для наилучшего смачивания наносимым материалом. После- дующий скоростной нагрев наплавляемого металла, обеспечивает дегазацию его поверхности, а после расплавления материала очистку от газов и примесей по всему объему и создает благоприятные возможности для практически одновременного взаимодействия всей поверхности изделия с наносимым материалом. Это благоприятно сказывается на повышении прочности сцеп„„5Ц „„1687629 Al (54) СПОСОБ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ (57) Изобретение относится к технологии металлов и может быть использовано для химико-термической обработки иэделий.

Целью изобретения является повышение антифрикционных свойств изделий, Способ .предусматривает нагрев поверхности развернутым электронным лучом до температуры 800 — 1000 С, последующее нанесение на нее медного сплава и нагрев последнего электронным лучом со скоростью 50—

3000 С/с до температуры (1,0 — 1,2) Тп медного сплава. 2 табл. ления покрытия с основной. Высокая скорость . нагрева поверхности подложки ведет к существенному измельчению структуры . сталей и титановых сплавов, Нагрев поверхности стали и титанового сплава до температур, превышающих критические, создает возможность самозакалки нагретого объема материала путем последующего охлаждения отводом тепла в холодную сердцевину детали. Нагрев с высокими скоростями имеет следствием высокие скорости самоохлаждения поверхностных слоев, что обеспечивает повышенный уровень прочности сплавов. Глубина упрочненного слоя на поверхности детали может достигать от десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров. Наличие вакуума предотвращает окисление поверхности изделия и наплавляемого материала, что черезвычайно важно для титановых сплавов и улучшает сцепление покрытия с основой.

Применение электронного луча, наличие возможности точно контролировать разме1687629

C)

У ) 0

rjО

55 ры нагреваемого участка, обеспечение возможности равномерного нагрева поверхности заготовки и значительное различие в теплопроводности материалов основы (сплавов на основе железа и титана) и покрытия (медь, бронза и др.) предотвращают оплавление поверхности изделия, Толщины наносимых слоев, которые можно получать предлагаемым способом, находятся в диапазоне от нескольких микрометров до миллиметров, причем толщины слоев легко контролировать.

Нагрев поверхности заготсвки ниже

ВОООС не обеспечивает равномерности толщиЙЫ покрытия, так как при последуквщем расплавлении медного сплава резко увеличивается теплоотвод на мас(:у иэделия, что может привести к затвердеванию расплава до достижения полного смачивания поверхности, Определено, что минимальной величиной удельной мощности для нагрева поверхности до 800 C. является 0,9 кВТ/см2, В этом случае после прекращения воздействия луча самоохлаждение материала происходит со скоростью, превышающей критическую скорость закалки. Нагрев поверхности заготовки выше 1000ОС недопустим ввиду того, что при последующем наплавлении медного сплава происходит дальнейшее повышение температуры металла изделия. Это связано с черезмерным перегревом сталей и титановых сплавов выше закалочных температур, что веде2 к огрублению зеренной микроструктуры. В свою очередь, это ухудшает механические характеристики сталей и сплавов.

Нагрев медного сплава при его расплавлении со скоростью менее 50 С/с требуе2 длительного воздействия электронного луча (более 20 с) для достижения требуемой тем пературы основы и наплавляемого сплава

Это приводит к глубокому прогреву изделия, что препятствует I oñëåäóþùåìó охлаждению нагретого слоя со скоростью, превышающей критиче(;,кую скорость закал ки. При использовании скорости нагрева выше 300 С/с для придания металлу основы и наплавляемому сплаву необходимой температуры должны применяться короткие времени воздействия луча (до 0,1 с и менее). Такие значения соответствуют величине удельной мощности, превышающей

2,5 кВт/см . При этих значениях парамет2 ров нагрева, хотя и происходит самоэакалка металла основы, упрочнению может подвергаться слой незначигельной глубины (порядка нескольких микрометров), сложно обеспечить равномерность нагрева всех участков, контролировать температуру, что может привести к оплавлению, искаженик2 геометрии поверхности иэделия. Наблюдается большой перепад температуры по сечению детали (градиент температуры достигает 10э С/мм и более), Равномерность толщины покрытия оказывается неудовлетворительной.

Нагрев наплавляемаго сплава должен проводиться до температуры не ниже температуры его плавления. В противном случае не произойдет смачивания основного материала наплавляемым медным сплавом, не будет достигнута поставленная цель. Перегрев наплавляемого сплава до величины

1-1,2 температуры его плавления обеспечивает достижение любой максимальной требуемой температуры закалки стали или титанового сплава (так, для случая наплавки меди 1,2 Т> --1300 С). Применение температуры выше 1,2 Тп связано со значительным перегревом сталей и титановых сплавов над закалочными температурами, ростом зерен металла и ухудшением механических свойств сталеЙ и сплавов, Таким образом, показано, что для упрочнения иэделий необходимо нагревать поверхность металлической подложки электронным лучом до температуры 800-1000 С, затеи наплавляемый сплав до температуры (1-",,2) температуры его плавления. Причем, нагрев требуется проводить со скоростями в диапазоне от 50 до ЗООО С/с. Такой единый режим на.,:..ева обеспечивает в одном цикле обработки приданис поверхности изделия комплекса 3f(:oêê:: прочностных и антифрикцнонных свойств, Изобретение иллюстрируется следуюгцмми конкретными примерами, Проводили комплексную электроннолучевую обработку.— упрочнению титановых сплавов в частности ВТ6, и ряда сталей, .- «npbimgp, of Bfff(40 с одновременным нане сением на их поверхность медных сплавов

«о ГОСт 16j30 — 85, КИ, БрАМц 9-— - 2, Обработку осуществляли на установке А306.07 со значениями удельной мощности нагрева

0,7 — 3 кВт/см, Развернутый электронный луч направляли на поверхность упрочняемого иэделия и нагревали до 750, 800, 900,,ООО, 1050ОС.

При этом, температуру контролировали с помощью on "ического пирометра АПИР-С, В качестве изделий использовались образцы для исследованиЙ коэффициента трения и прочности сцепления. Затем наплааляемые материалы в виде проволоки диаметром 2 viм или порошка с помoщью специального устройства подавали в зону воздействия луча и нагревали до температур: 1000, 1085, 1190 1300 и 1400 С в случае сплава м1 (fffff=1085"С) и 1000, 1060, 1170.

1687629

1270 и 1400 С вЂ” БрАМц9-2 (Тпл=1060 С).

Нагрев осуществляли со скоростями 40, 50, 1500, 3000 и 3500 С/с.

После обработки проводились металлографические, трибологические исследования и испытания на прочность сцепления, Металлографические исследования покрытия показали, что при наплавке М1 на сплав ВТ6 формируется слой звтектики с остаточной медью. Происходит измельчение зерен сплава ВТ6. Поры, раковины в слое и на границе со сплавом ВТ6 отсутствуют. Измерялась микротвердость основного материала на поперечных шлифах образцов. В исходном сплаве она равна 2,5

ГПа, в упрочненном слое, находящемся под наплавленным слоем меди, достигает 8 ГПа.

Глубина упрочненного слоя составляет 0,1—

1-,5 мм. Микроструктура закаленного сплава

ВТ6 мелкодисперсный мартенсит.

Результаты измерений коэффициента трения, прочности сцепления покрытия с подложкой и неравномерности толщин наплавленных покрытий приведены в табл. 1.

Вследствие комплексного упрочнения по предложенным режимам наряду с повышением твердости металла основы происходит значительное улучшение антифрикционных характеристик поверхности изделия, наблюдается высокая прочность сцепления покрытия с основой.

В случае наплавки бронзы БрАМц 9 — 2 на сталь 40 металлографические исследования показали, что слой бронзы на образцах плотный, однородный и равномерный. Поры, раковины в.слое и на границе со сталью отсутствуют. Микротвердость упрочненного слоя образца из стали 40 достигает 10 ГПа против 3 ГПа исходного материала. Микроструктура — мелкоигольчатый мартенсит.

Глубина упрочнения для разных режимов составляет 0,1 — 2 мм..Измерения коэффициента трения, прочности сцепления и неравномерности толщин покрытий показали результаты, близкие к полученным для случая упрочнения сплава ВТ6 (табл. 2).

Величины удельной мощности луча, соответствующие оптимальным значениям температуры нагрева поверхности и скорости нагрева медного сплава, находятся s г . диапазоне 0,9-2,5 кВт/см, Таким образом, применение предлагаемого способа упрочнения поверхности изделия с одновременным нанесением антифрикционных покрытий дает возмож5 ность придать металлу основы высокую твердость, обеспечивает получение плотных износостойких антифрикционных слоев натитановыхистальныхдеталях. Благодаря малому времени пребывания материалов

10 основы при высоких температурах (от долей до нескольких секунд) не происходит рост зерна металлов, что способствует формированию высоких прочностных свойств.

Имеется возможность варьирования

15 триботехническими характеристиками поверхности иэделий благодаря изменению химического состава наносимого покрытия.

Поверхность изделия, а также наплавляемый материал, во время нанесения по20 крытия не окисляются, не загрязняются посторонними примесями. Вместо изготовления части детали из массивной заготовки, механически крепящейся к основной части иэделия, в предлагаемом способе нанесен25 ный слой имеет малую толщину. Получаемые антифрикционные слои равномерны.по всему сечению, толщина их может составлять от нескольких микрометров до нескольких миллиметров. Глубины упрочненных

30 слоев могут составлять 0,1 — 2 мм, микротвердость 8-10 ГПа.

Искажения формы изделия пои обработке йе происходит, так как отсутствует оплавление основы. Ввиду малой глубины

35 нагрева детали коробления изделия не наблюдается, Формула изобретения

Способ поверхностного упрочнения ме40 таллических изделий, включающий нагрев. поверхности иэделия развернутым злектроннымлучом, отличающийся тем, что, с целью повышения антифрикционных свойств поверхность изделия предвари45 тельно нагревают развернутым электронным лучом до 800 — 1000 С, а затем наплавляют на нее медный сплав путем нагрева последнего лучом со скоростью 50—

3000 С/с до температуры (1,0 — 1,2) Т», где

50 T» — температура плавления медного сплава.

1687629

Таблица!

Величина

Коэффициент ,трения

Температура нагрева, С

Неравноме рнос ть покрытия, + мкм

Скорость йагрФЪа . спъава, С./с

Способ зерна в приповерх" ностном слое, Мкм.Ч@ медного сплава лове р хиос т и изделия

1000

0,27

Таблица2

Температура нагрева, С

СкоКоэффициент т рени я

Не равномерность покрытия, 1 мкм

Величина

Способ

Прочность зерна в приповерхностном бронзового покрытия поверхности изделиясцепления

МПа слое, мкм

1000

0,l3

1500 0,11 310 30 20

50 0,12 260 50 20

3000 0,11 280 40 25

1500 0,12 90 70 10

750

1060 l 270

1170

Составитель Е.Кашкарова

Редактор И.Сегляник Техрел 1,Моргентал Корректор Т.Палий

Заказ 3679 Тираж 379 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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

Известный

Предлагаемый

3

5

7

Известный

Предлагаемый

2

1000

1 1 90

1300

3000 рость нагрева сплава, С/с

0,16

О, 16

0 16

0>15

0,15

0,17

0,15

0,15

О, 17

Прочность сцепления, МПа

300

20 l0