Способ термического поверхностного упрочнения металлических изделий лазерным излучением

 

К ПАТЕНТУ

@иг 1

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 4816424/02 (22) 17.04.90 (46) 15.12.93 Бюл. Na 45-46 (71) Хабаровский политехнический институт (72) Мулин Ю.И.; Студеникин Ю.Е.; Новохатский В.В. (73) Мулин Юрий Иванович; Студеникин Юрий

Ефимович; Новохатский Виктор Вениаминович (54) СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОГО ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ (57) Использование: изобретение относится к лазерной термообработке металлических деталей и может быть использовано на металлообрабатывающих предприятиях машиностроительной, станкостроительной промышленности и других отраслей на— родного хозяйства. Сущность: излучение от лазера (и) RU (и) 2ОО46ОЗ (:1 (51) 1 делится светоделительной пластинкой 2 на два пучка и . В первый пучок помещают линзу 3, на

1 2 пути второго пучка устанавливают сферическое зеркало 4, при помощи которого отраженный луч

2 сбивается с прошедшим через светоделительную пластинку 2 лучом в плоскости поверхности дета1 ли 5 под углом R. При этом в области сбивки на поверхности детали 5 в пределах пят а закалки образуются чередующиеся области в виде полос с максимальной и минимальной плотностью энергии излучения и периодом Л=1/а, где 1 — длина волны лазерного излучения;а — угол сбивки лучей I u I ..

1 2

Фокусное расстояние линзы 3 и сферического зеркала 4 определяются расстоянием до детали 5 и размерами пятна закалки. 3 ип.

2004603

Изобретение относится к лазерной термообработке металлических деталей и может быть использовано на металлообрабатывающих предприятиях машиностроительной, станкостроительной промышленности и других отраслей народного хозяйства, Известен способ поверхностной термообработки металлических деталей посредством нагрева лазерным излучением их рабочих поверхностей, при котором используется сфокусированный лазерный пучок с гауссовским распределением энергии по поперечному сечению пучка.

Недостатком этого способа является неравномерное упрочнение поверхности в пределах пятна закалки, обусловленное неравноверным распределением энергии по поперечному сечению пучка.

Известен также способ, реализуемый с помощью устройства для получения пучка с равномерным распределением энергии по сечению, в котором на пути прохождения лазерного луча устанавливают зеркало с внутренним отражением, причем центральная часть луча, отражаясь от поверхности, равномерно накладывается на часть фокальной плоскости, где находится обрабатываемое изделие, которое таким образом облучается сжатым лазерным лучом и с равномерно распределенной по сечению пучка энергией, Недостатком прототипа является то, что после упрочнения металлических поверхн остер лазе рн ым излучен ием не достигается наилучшая демпфирующая микроструктура поверхностного слоя, определяемая наличием локальных мелкодисперсных элементов с высокой твердостью и более вязкой связующей матрицы (основы), которая не образуется при применении сплошного упрочнения поверхности, Известен способ термического поверхностного упрочнения металлических изделий лазерным излучением, включающим подачу основного лазерного луча через фокусирующую линзу и дополнительного лазерного луча после отражения от сферического зеркала, нагрев эоны обработки до температуры закалки.

В известном способе реализуется лишь увеличение интенсивности излучения в зоне упрочнения за счет воздействия луча, отраженного от поверхности детали при помощи сферического зеркала. При этом фазовые искажения, BHocMMblQ в отраженный луч поверхностью, существенное различие интенсивности взаимодействующих световых волн и достаточно большой угол между ними не позволяют на поверхности детали о месте упрочнения образовывать. световой поток, состоящий из чередующихся зон с максимальной и минимальной интенсивностью и тем самым не позволяет получить упругую демпфирующую микроструктуру, которая обеспечивает повышенную износостойкость.

Целью изобретения является повышение износостойкости, Поставленная цель достигается тем, что излучение лазера с помощью светодели. тельной пластинки делится на два пучка, которые сбиваются на обрабатываемой поверхности под малым углом и с требуемыми поперечными размерами при помощи линзы и сферического зеркала, образуя чередующиеся полосы с максимальной и минимальной плотностью энергии излучения. Вследствие этого на упрочняемпй дета20 ли образуется поверхность с чередованием зон с высокой и малой микротвердостью, образующих износостойкую упругую демпфирующую микроструктуру, определяемую наличием локальных мелкодисперсных элементов с высокой твердостью и более вязкой связующей матрицы, На фиг.1 представлена схема расположенил оптических элементов и детали при

55 выполнении способа поверхностного термоупрочнения лазерным излучением; на фиг.2 — схема расположения на упрочняемой поверхности детали зон с высокой и малой микротвердостью; на фиг.3 — схема, иллюстрирующая конкретный пример реализации способа.

Предлагаемый способ поверхностного упрочнения металлических деталей реализуется при следующем порядке расположения оптических элементов и упрочняемой поверхности. По направлению луча лазера 1 (см,фиг.1) устанавливают светоделительную пластинку 2 и линзу 3. Сферичес .пе зеркало

4 устанавливают на пути следования отраженного светоделительной пластинкой 2 луча.

Способ реализации следующим образом, Излучение от лазера 1 делится светоделительной пластинкой 2 на два пучка 1 и lz.

В первый пучок помещают линзу 3, на пути второго пучка устанавливают сферическое зеркало 4, при помощи которого отраженный луч !z сбивается с прошедшим через светоделительную пластинку 2 лучом I< в плоскости поверхности детали 5 под углом а.

При этом о области сбивки на поверхности детали 5 в пределах пятна закалки образуются чередующиеся области в виде полос с максимальной и минимальной плотностью. энергии излучения и периодом Л Л /а, где

2004603

). — длина волны лазерного излучения;а-угол сбивки лучей I> и 1г, Фокусные расстояния линзы 3 и сферического зеркала 4 определяются расстоянием до детали 5 и размерами пятна закалки, Образование чередующихся областей в виде полос с максимальной и минимальной плотностью энергии излучения в области сбивки и в пределах пятна закалки приводит к образованию решеточной микроструктуры на упрочняемой поверхности детали в виде чаредующихся эон 6 (см,фиг.2), имеющих повышенную микротвердость и более мелкодисперсную структуру, по cpBBHGHMIQ с материалом зон, расположенных рядом.

Различия в значениях микротвердости и дисперсности зон определяются образованием на поверхности детали участков с большей и меньшей температурой нагрева вследствие наличия в лазерном излучении областей с большей и меньшей плотностью энергии. Кратковременность нагрева и быстрый отвод тепла вглубь детали вызывает структурно-фаэовые изменения в поверхностном слое металла в соответствии с величиной плотности энергии излучения.

Способ осуществлен на базе импульсно-периодического СОг-лазера с длиной волны А 10,6 мкм, Излучение лазера 1 при помощи светоделительной пластины 2 (возможно применение и других типов ответвителей излучения) делится на два пучка с интенсивностью Iq и Iг (см.фиг.3). Пучок iq проходит через линзу 3, расположенную на расстоянии х =(R-3f) (1+ d/р)+ 2b/3 от линзы 2, и преобразуется в пучок диаметром d, где d — требуемый диаметр пятна закалки. Упрочняемая деталь 5 располагается на расстоянии I> = f(1 + d/p) от линзы

3. В приведенном выражении R — радиус кривизны сферического зеркала 4; f — фокусное расстояние линзы 3; 2Ь вЂ” линейные размеры пластины; р — диаметр лазерного пучка. Для равенства поперечных размеров пучков Is u 1г в области сбивки сферическое зеркало 4 должно располагаться на расстоянии,3 =1В(1+ d/p)+ 4O)/6 от пластины 2 и на расстоянии lг = R(1 + с1 p)/2 от упрочняемой детали 5.

При выполнении этих условий плотность энергии излучения на поверхности упрочняемой детали изменяется по закону

W = И1+ ЧЧг + 2W WZCOs Р, где р- разность фэз.

10

30 до повторного шлифования до 7,0 — 7,5 Th!c.

При этом Области с максимэльнОй и минимальной плотностью энергии излучения будут чередоваться с периодом Л 2 /а .

Для проверки предлагаемого способа упрочнялись поверхности вырубных штампов иэ материала У10А. закаленных и отпущенных до НЯСз58.

Упрочнение проводилось двумя способами; 1) сфокусированчым лазерным пучком с гауссовским распределением энергии по поперечному сачению; 2) лазерным пучКОм, предварительно поделенным с помощью светоделите lbHQA пластины нэ двэ пучк" 11 и 12 с последующей их сбивкой нэ

Обрэ.>атыьаемой поверхности с обрээованием решетки i.åpåäóloöïõñB зон с максимальнойй и мин имэл ьной плотностью энергии излучения.

ПО первому вар янту упрочнения микротвердость поверхности штампа возросла от 6 00 до 12500 МПа. При втором варианте упрочнения зона наибольшей микротвердости достигала до 14000 МПа и между ними микротвердость составляла 9200 МПэ.

Долговечность серийных штампов до повторного шлифования без упрочнения составлялэ 3,6 — 4,1 тыс, деталей. Лазерное упрочнение кромок по и=-рвому варианту позволило повысить стойкость инструмента деталей, При упрочнениi «рамок по BTGрому варианту с Образовэниел решетки чередующихся зон с повышенной микротьердостью и вязкой основой стойкость инструмента до повторного шлифования составляла 9,5-10 тыс. деталей.

Таким образом упрочнение поверхности штампа лазерным пучком, предварительно поделенным с помощью светоделитальной пластины на два пучка с последу ощей их сбивкой на Обр".,бэтываемой поверхности с образован IBM решетки чередуящихся зон с максимальной микротвердостыо и несколько вязкой основой, по сравнению с упрочнением сфокусированным лазерным пучком с гауссовским распределением энергии по поперечному сечения и максимальной микротвердостью по упрочняемой поверхности позволяет повысить долговечность работы штампа до повторного шлифования с 7,0 — 7,5 тыс. деталей до 9,5 — 10 тыс. деталей, т.е. в 1,331,36 раза. (56) Заявка Франции Q 2450660, кл, В 23 1(26/02, 1980.

2004603

Формула изобретения

Составитель А.Орешкина

Редактор Г.Мельникова Техред M.Mîðãåíòàë Корректор Л.Пилипенко

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

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

Заказ 3380

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

СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОГО ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ ЛАЗЕРНЫМ

ИЗЛУЧЕНИЕМ, включающий подачу основного лазерного луча через фокусирующую линзу и дополнительного лазерного луча после отражения от сферического зеркала. нагрев зоны обработки до температуры закалки, отличающийся тем, что, с целью повышения износостойкости, дополнительный лазерный луч создают путем

5 отражения основного от светоделительной пластинки, а закалку поверхности двумя лучами осуществляют с образованием на поверхности изделия структуры чередующихся зон термического упрочнения с по„0 вышенной и пониженной твердостью с периодом чередования зон k = 4©, где Хдлина волны лазерного излучения,и - угол между основным и дополнительными лучами.