Способ восстановления металлических изделий

 

Изобретение относится к области термической обработки металлов с помощью концентрированных источников энергии и может быть использовано при восстановлении работоспособности и повышении ресурса металлических изделий, имеющих поверхностные дефекты в виде трещин. Технический результат - повышение ресурса металлических изделий и исключение последующей операции объемной термической обработки. Сущность изобретения включает обработку зоны расположения дефекта сканирующим сфокусированным лучом лазера с постоянной скоростью охлаждения расплавленного металла по всей его глубине для формирования в зоне расположения дефекта исходной структуры материала, при этом скорость охлаждения определяют по зависимости , где , - скорость перемещения луча при лазерной обработке, см/с; q - эффективная тепловая мощность источника нагрева при лазерной обработке, Вт; C - const, зависящая от теплофизических свойств материала; см/Вт·с; V_кр - критическая скорость охлаждения, ^oC/с. 2 табл.

Изобретение относится к области термической обработки металлов с помощью концентрированных источников энергии и может быть использовано при восстановлении работоспособности и повышения ресурса металлических изделий, имеющих поверхностные дефекты в виде трещин.

В настоящее время половина всего проката металла, потребляемого автомобильной промышленностью, расходуется на выпуск запасных частей, стоимость которых сравнима со стоимостью всех выпускаемых отраслью автомобилей. Поэтому проблеме восстановления работоспособности изделий в машиностроении уделяется большое значение.

При эксплуатации высоконагруженных деталей и узлов механизмом нерегулярный режим нагружения может способствовать появлению и дальнейшему развитию повреждений (например, в виде микро- и макротрещин), особенно в местах конструктивных концентраторов напряжений, что приводит к преждевременным поломкам.

Увеличение ресурса таких деталей за счет восстановления их работоспособности является актуальной задачей в современном машиностроении, решение которой позволяет иметь большой экономический эффект в народном хозяйстве.

Известен способ восстановления металлических изделий, который заключается в рассверливании или вырезании обнаруженных трещин с последующим укорачиванием дефектного участка путем выполнения клиновидных пазов и последующей сварки [1] Причинами, препятствующими достижению требуемого технического результата является снижение физико-механических свойств металла в области сварки за счет формирования дополнительного концентратора напряжений, что может приводить к преждевременным поломкам.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ восстановления металлических изделий, имеющих поверхностные дефекты в виде трещин, включающий обработку зоны расположения дефекта на требуемую толщину с последующим проведением объемной термической обработки [2] Причинами, препятствующими достижению требуемого технического результата, является то, что данный метод не учитывает скорость и равномерность охлаждения расплавленного металла по его толщине. В результате в поверхностном обработанном лазерным излучением слое возможно формирование крупнозернистой (литой) структуры с пониженным комплексом физико-механических свойств, что приводит к снижению ресурсов детали за счет хрупкого ее разрушения. Поэтому для приведения структуры оплавленной зоны в месте расположения дефекта (трещины) в равновесное состояние возникает необходимость обязательного проведения дополнительной объемной термической обработки, и, как следствие этого, финишной механической обработки для снятия окалины, что приводит к дополнительным материальным затратам.

Задачей изобретения является восстановление работоспособности металлических изделий, имеющих поверхностные дефекты в виде трещин.

Технический результат повышение ресурсов металлических изделий и исключение последующей операции объемной термической обработки.

Поставленный технический результат достигается тем, что в известном способе восстановления металлических изделий, включающем обработку зоны расположения дефекта сканирующим сфокусированным лучом лазера, указанную обработку осуществляют с постоянной скоростью охлаждения расплавленного металла по всей его глубине для формирования в зоне расположения дефекта исходной структуры материала, при этом скорость охлаждения определяют по зависимости: , где ; скорость перемещения луча при лазерной обработке, см/с; q эффективная тепловая мощность источника нагрева при лазерной обработке, Вт; C const, зависящая от теплофизических свойств материала; см/Вт·с; V_кр критическая скорость охлаждения, ^oC/с.

Полученные условия восстановления работоспособности и повышения ресурса изделий, имеющих поверхностные дефекты в виде трещин, в предложенном способе основаны на следующих соображениях.

Необходимость выполнения условия обеспечения постоянной скорости охлаждения (V_охл.) расплавленного металла по всей его глубине при лазерной обработке можно объяснить следующим. При невыполнении этого условия, т.е. при различной V_охл., в каждом микрообъеме расплавленного металла по глубине поверхностного слоя возможно формирование структур с различными физико-механическими свойствами, что может привести к преждевременным поломкам деталей, работающих, например, в условиях контактного или ударно-циклического нагружения.

Приведенная формула позволяет целенаправленно подходить к выбору режимов лазерной обработки для получения необходимой V_охл. расплавленного металла.

Так, например, при выполняется условие V_охл.>V_кр., т.е. в поверхностном оплавленном слое формируется структура мартенсита.

При выполняется условие V_охл.<V и в поверхностном оплавленном слое формируются ферритно-перлитные структуры различной дисперсности.

Примем для ст. 45: V_кр.≈550^oC/с.

Например, используя режим 1 (см табл. 1) находим:

По отношению можно судить, что данный режим обеспечивает выполнение условия V_охл.>V_кр., т. е. , V_кр.=1,32·550= 726^oC/с.

Это говорит о том, что при использовании данного режима в поверхностном оплавленном слое формируется структура мартенсита.

При реализации 2-го режима (табл. 1) находим:

По отношению можно сделать заключение, что данный режим обеспечивает выполнение условия: V_охл.<V, т. е. = 0,85·550=470^oC/с
При данном режиме в поверхностном оплавленном слое формируется мелкодисперсная феррито-перлитная структура.

При использовании 3-го режима (таблица 1)

По отношению можно сделать вывод, что данный режим обеспечивает выполнение условия V_охл.<V, т.е.

При данном режиме в поверхностном слое формируется крупнозернистая феррито-перлитная структура.

Формирование указанных выше структур при рассчитанных V_охл. подтверждается металлографическими исследованиями.

Из сказанного следует, что для обеспечения формирования в оплавленной зоне расположения трещины исходной структуры материала скорость охлаждения в каждом конкретном случае может определяться по приведенной зависимости.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявляемого изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объеме, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений, с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом, из известного уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата. Следовательно заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству.

На фиг. 1 показан вид трещины на поверхности исследуемого образца, изготовленного из нормализованной ст. 45 с мелкозернистой феррито-перлитной структурой; на фиг. 2 вид зоны расположения трещины после лазерной обработки по предложенному способу.

Для доказательства и большей наглядности возможности получения в поверхностном слое после лазерной обработки с оплавлением исходной мелкозернистой феррито-перлитной структуры на фиг. 2 приведена структура оплавленного слоя, состоящая из 2 зон и зоны основного металла:
1 зона мелкозернистая феррито-перлитная структура; 2 зона - крупнозернистая феррито-перлитная структура; 3 зона исходная мелкозернистая феррито-перлитная структура.

Пример. По выбранным режимам (см. табл. 1) обрабатывались ударные образцы (тип 1 по ГОСТ 9454-78) и натуральные детали с глубиной критической трещины в зоне концентратора напряжений t_кр.=0,50-0,52 мм, изготовленные из конструкционной нормализованной стали 45 (исходная мелкозернистая феррито-перлитная структура).

Лазерную обработку с оплавлением мест расположения трещины проводили на установке непрерывного CO₂-лазера "Комета". В зависимости от режимов лазерной обработки толщина проплавленного слоя составляла 0,65-0,78 мм. Для повышения поглощающей способности, обрабатываемую поверхность фосфотировали. Требуемой постоянной скорости охлаждения расплавленного металла достигали, применяя различные технологические приемы. Например, принудительным охлаждением или подогревом обрабатываемой детали, или одновременным совмещением этих двух операций.

Испытания на удачный изгиб проводили на маятниковом копре МК-30. Усталостные и ресурсные испытания осуществляли на пульсаторе ЦДМ-10 при отнулевом цикле нагружения и экспериментальном стенде.

Из таблицы 1 видно, что лазерная обработка исследуемых образцов и натуральных деталей с поверхностными дефектами в виде трещин по 2-му режиму (при V_охл.= 470^oC/с), обеспечивающему формирование по всей глубине расплавленного металла исходной мелкозернистой феррито-перлитной структуры, приводит к получению значений работы разрушения образца (к=60,0 Дж), среднему числу циклов (N_ц= 4,2·10⁷ циклов) и ресурсу (T=12000 мото/час), соответствующих их величинам образцов и деталей в исходном нормализованном состоянии без трещин.

При лазерной обработке по 1-му режиму (V_охл.=721^oC/с) по всей глубине расплавленного металла формируется мартенситная структура с высокой твердостью, что приводит к падению указанных выше характеристик (к=33,6 Дж; N_ц= 1,5·10⁷ циклов; T=7500 мото/час).

При лазерной обработке по 3-му режиму (при V_охл.=413^oC/с) по всей глубине расплавленного металла формируется крупнозернистая феррито-перлитная структура с повышенной хрупкостью, что способствует дальнейшему снижению работы разрушения (к=30,4 Дж), числу циклов (N_ц=1·10⁷ циклов) и ресурсу (T= 6300 мото/час).

Одновременно проведены испытания образцов и деталей с трещиной по способу-прототипу (после лазерного оплавления и после лазерного оплавления и последующей нормализации) и образцов в исходном нормализованном состоянии с трещиной и без нее. Результаты испытаний приведены в таблице 2.

Из таблицы 2 видно, что предлагаемый способ обеспечивает полное восстановление эксплуатационных свойств дефектных деталей и не требует дополнительных технологических операций (проведения объемной термической обработки). При этом полное восстановление свойств по способу-прототипу возможно только при проведении последующей объемной термической обработки (в нашем нормализации), приводящей структуру оплавленного слоя в месте расположения дефекта (трещины) в равновесное исходное состояние.

Итак, использование предлагаемого способа восстановления металлических изделий, имеющих поверхностные дефекты в виде трещин, обеспечивает:
полное восстановление работоспособности;
повышение ресурсов в 1,9 раза по сравнению с изделиями, обработанными по способу-прототипу (без последующей объемной термической обработки);
повышение ресурса в 2,3 раза по сравнению с изделиями в исходном нормализованном состоянии с трещиной;
исключение проведения последующей объемной термической обработки, приводящей структуры поверхностного оплавленного слоя в равновесное исходное состояние.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в машиностроении при восстановлении работоспособности и повышении ресурса металлических изделий, имеющих поверхностные дефекты в виде трещин;
для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке средств и методов;
средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость" по действующему законодательству.

Формула изобретения

Способ восстановления металлических изделий, имеющих поверхностные дефекты в виде трещин, включающий обработку зоны расположения дефекта сканирующим сфокусированным лучом лазера, отличающийся тем, что лазерную обработку осуществляют с постоянной скоростью охлаждения расплавленного металла по всей его глубине для формирования в зоне расположения дефекта исходной структуры материала, при этом скорость охлаждения определяют по зависимости

где
скорость перемещения луча при лазерной обработке, см/с;
q эффективная тепловая мощность источника нагрева при лазерной обработке, Вт;
С const, зависящая от теплофизических свойств материала, см/Вт · с;
v_кр критическая скорость охлаждения, град./С.

РИСУНКИ

Рисунок 1