Способ поверхностного упрочнения изделий из стали и алюминия

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам комплексной упрочняющей обработки металлов и сплавов, и может быть использовано в различных областях машиностроения. Цель - повышение адгезионной прочности и микротвердости за счет увеличения толщины переходной зоны . Способ включает нанесение на подложку путем механического внедрения от вибратора мелкодисперсного порошка: металла или неметалла, выбранного из условий образования с материалом подложки экзотермической смеси, и последующую обработку поверхности лазерным излучением для инициирования СВЧ-реакции и компенсации тепловых потерь. Способ позволяет увеличить переходную зону до 1,0-1,5 мм вместо 10 см, что позволяет повысить адгезионную прочность и микротвердость. 1 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (Я)5 С 23 С 12/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4384997/02 (22) 29,02,88 (46) 30.11.91. Бюл. М 44 (71) Алтайский государственный университет (72) В.И.Алехин, Б.Ф.Демьянов, В.П.Кандауров, В.А.Плотников, Э.И.Перов и В,Я.Федянин (53) 621.793.669,586.5(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 1026487, кл, С 23 С 12/00. (54) СПОСОБ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ СТАЛИ И АЛЮМИНИЯ (57) Изобретение относится к металлургии, в частности к способам комплексной упрочняющей обработки металлов и сплавов, и

Изобретение относится к металлургии, B частности к способам комплексной упрочняющей обработки металлов и сплавов, и может быть использовано в различных областях машиностроения, Цель — повышение адгезионной прочности и микротвердости за счет увеличения толщины переходной зоны.

Способ включает нанесение на подложку путем механического внедрения от вибратора мелкодисперсного порошка, металла или неметалла, выбранного из условий образования с материалом подложки экзотермической смеси, и последующую обработку поверхности лазерным излучением для инициирования СВС-реакции и компенсации тепловых потерь. Ж 1б94б92 А1 может быть использовано в различных областях машиностроения. Цель — повышение адгезионной прочности и микротвердости за счет увеличения толщины переходной зоны. Способ включает нанесение на подложку путем механического внедрения от вибратора мелкодисперсного порошка: металла или неметалла, выбранного из условий образования с материалом. подложки экзотермической смеси, и последующую обработку поверхности лазерным излучением для инициирования СВЧ-реакции и компенсации тепловых потерь. Способ позволяет увеличить переходную зону до 1,0-1,5 мм вместо 10 см, что позволяет повысить адгезионную прочность и микротвердость, 1 табл.

Способ осуществляют следующим образом.

Проводят выбор порошка, который является одним из компонентов покрытия, исходя из условий образования с материалом подложки экзотермической смеси и обеспечения теплового эффекта, достаточного для проведения реакции в режиме СВЧ-самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, Для упрочнения алюминия и алюминиевых сплавов можно применять порошки для внедрения, такие как никель, титан, кремний, бор и другие, для упрочнения поверхности стальных изделий — бор.

Осуществляют с помощью вибратора внедрение порошка в поверхность подложки, Экзотермичность смесей и определенный тепловой эффект являются

1694692

15

55 необходимыми, но недостаточными условиями для протекания СВС-процессов. Для обеспечения хорошего контакта между материалом подложки и частицами порошка вводимого компонента проводят вибрационную обработку детали в присутствии порошка-реагента путем внедрения частиц порошка в поверхность детали в результате ударного воздействия шаров в камере вибратора. Толщина покрытия зависит от толщины перемешанного слоя на поверхности детали, т.е. от времени обработки детали в вибраторе. Для получения покрытия, имеющего диффузионную зону, с высокой адгезией, с достаточной прочностью необходимо провести последующую обработку поверхности лазерным излучением.

Обработка лазером необходима для инициирования СВС-реакции и компенсации тепловых потерь.

После обработки в вибраторе и образования на поверхности образца хорошо перемешанной экзотермической смеси (Ml+ Al или Tl+ Al; В + Al; Fe+ В и др.) лучом лазера инициируют волну синтеза, распространяющуюся по покрытию на 1 — 5 см (СВС-процесс). Волну горения поддерживают сканированием лазерного луча с плотностью мощности 0,5 — 0,6 кВт/мм со скорог стью 10 мм/с.

Энергия лазера способствует протеканию СВС-процесса, компенсируя энергию

СВС-реакции, рассеиваемую в окружающую среду. Благодаря механическому внед1рению реагентов в матрицу материал подложки используется в качестве активного компонента процесса. В ходе СВС-реакции материал подложки, находящийся в избытке, заполняет поры, образуя компактное малопористое покрытие. Избыток одного из компонентов СВС-реакции (материал матрицы) приводит к тому, что состав конечного продукта определяется термодинамикой реакции. В ходе СВС-процесса возникают встречные потоки реагирующих компонентов и формируется обширная диффузионная зона с дендритной структурой, что существенно увеличивает адгеэионные свойства покрытия. Соотношение между фазами меняется вдоль ширины диффузионной зоны с увеличением объема интерметаллической фазы при приближении к поверхности.

Адгезионная прочность (усилие на отрыв покрытия от подложки) определяется структурой и размером диффузионной (переходной от покрытия к подложке) эоны, при обработке по предложенному способу существует непрерывный переход от материала покрытия к материалу матрицы размером до 1,0-1,5 мм. Структура диффузионной зоны представляет собой смесь высокопрочного материала покрытия и твердого раствора на основе материала подложки с постепенным переходом в материал подлбжки. Принципиальная особенность полученного покрытия — отсутствие рукой границы между покрытием и подложкой. В известном способе глубина переходной (диффузионной) эоны составляет 10 4 см.

Пример 1. Было сформировано покрйтие на матрице из технического алюминия, в поверхность которой на вибраторе ДДРСМ 9458 внедряли порошок никеля, Время механического внедрения компонента — 1 ч.

После механической обработки образцы подвергали лазерной обработке.

Мощность установок "Кипр" была выбрана так, чтобы плотность энергии была 0,5—

0,6 кВт/мм, Время облучения точки, в которой инициируется CBC-процесс до 6 с.

На фиг.1 представлен участок образца с нанесенным покрытием. Как видно, структура слоя представляет собой двухфазную систему. Вблизи поверхности плотность. фазы

NlH максимальная, покрытие имеет мелкодисперсную структуру. Одна иэ фаз в виде дендритов проникает глубоко в материал матрицы. Подобная структура переходной зоны обеспечивает высокие адгеэионные свойства.

Проведенный рентгенофазовый анализ показал, что в структуре находятся. фазы й!эА! и NIAI, которые обладают. высокими прочностными свойствами и жаропрочностью.

В таблице приведены данные по измерению микротвердости, Как следует из представленных данных, микротвердость плавно растет к поверхности образца. Сравнивая значения микротвердости в матрице (30,0 Нр) и на поверхности (240 Hy) видим, что ее значение на поверхности примерно в 8 раз превышает значение в матрице. В таблице прьгведены данные по механическим свойствам и по размерам зоны. Толщина слоя /зоны/.по данным оптической металлографии и измерению микротвердости составляет около 2,0 мм. Отсчет ведется от поверхности до уровня, где Нр = 30,0 (значение микротвердости подложки), Как следует иэ таблицы до глубины примерно 0 — 1,0 мм микротвердость слабо меняется, а в промежутке от 1,0 до 2.0 мм происходит спад микротвердости до значений, характерных для матрицы. Таким образом, толщина сформированной диффузионной зоны составляет примерно 1,0-1,5

1694692

Изменение микротвердости по глубине покрытия образца

Составитель Н. Сункина

Техред М.Моргентал Корректор В. Гирняк

Редактор Е. Зубиетова

Заказ 4132 Тираж 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 мм, а толщина слоя с максимальной микротвердостью 0,5 — 1,0 мм.

Пример 2. Было получено покрытие системы Fe-В на стали 30. Получение покрытия проводилось аналогично. На сталь 30 вибрационнйм способом наносится порошок В, который, как известно, вступает в

СВС реакцию с Fe, сопровождающуюся интенсивным выделением тепла. Формирование покрытия происходит в результате лазерного воздействия с плотностью мощности =О,б.кВт/мм . Покрытие сформиро2, вано в условиях избытка Fe, который в большом количестве может поступать из подложки. . Микротвердость покрытия приблизительно в 5 раэ выше твердости стали. Непосредственно к покрытию примыкает зона теплового воздействия на подложку (закалки), ее твердость составляет примерно

250 Нр.

Следует отметить, что при формировании такого покрытия основным процессом является протекание реакции СВС с образованием остехиометрическо фазы FnB, действие лазера призвано инициировать реакцию и компенсировать отвод тепла из эоны реакции в подложку.

Таким образом, предложенный способ обладает следующими преимуществами: образованием переходной (диффузионное зоны глубиной до 1,0 — 1,б мм вместо б 10 см, что позволяет повысить вдгезионную прочность и микротвердость; формированием материала покрытия в ходе проведения СВС-реакции, что позволяет выбирать материалы покрытия в зави10 симости от технической задачи.

Формула изобретения

Способ поверхностного упрочнения изделий из стали и алюминия, включающий

15 нанесение порошка на подложку и последующее диффузионное насыщение с использованием лазерного излучения, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения адгезионной прочности и микротвердости

20 за счет увеличения периода после нанесе-; ния порошка на подложку, осуществляют его механическим внутренним вибратором, диффузионное насыщение проводят путем

СВС-реакции, причем материал порошок

25 выбирают из условия образования экзотермической смеси с материалом подложки, а лазерное излучение используют в качестве инициации СВС-реакции.