Способ лазерной обработки деталей тел вращения из инструментальных сталей

Авторы патента:

Братухин Анатолий Владиславович (RU)

C21D1/09 - Изменение физической структуры черных металлов; устройства общего назначения для термообработки черных или цветных металлов или сплавов; придание ковкости металлам путем обезуглероживания, отпуска или других видов обработки (цементация диффузионными способами C23C; поверхностная обработка металлов, включающая по крайней мере один процесс, предусмотренный в классе C23, и по крайней мере другой процесс, охватываемый этим подклассом, C23F 17/00; однонаправленное отвердевание эвтектики или однонаправленное разделение эвтектик C30B)

Владельцы патента RU 2734826:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" (НГТУ) (RU)

Изобретение относится к инструментальной промышленности, а именно к способу лазерной обработки детали вращения из инструментальной стали. Осуществляют вращение и осевое перемещение детали с обработкой ее поверхности лучом лазера непрерывного действия со степенью перекрытия лазерных дорожек 10-15%. Обработку детали лазерным лучом проводят с плотностью мощности лазерного луча, равной 80-90 Вт/мм², диаметром пятна лазерного луча 3 мм и при линейной скорости перемещения лазерного луча 6 мм/с. Обеспечивается повышение износостойкости упомянутой детали вращения в условиях повышенных контактных нагрузок, а также расширяется номенклатура упрочняемых лазером деталей, имеющих увеличенные габариты рабочих частей. 4 табл., 3 ил.

Изобретение относится к инструментальной промышленности, а именно к способу упрочнения поверхности путем лазерной обработки инструмента для накатывания резьбы, имеющего форму тела вращения, подвергающегося адгезионному и абразивному изнашиванию

Известен способ лазерной обработки режущих пластин и оксидно-карбидной керамики TiC+MgO+Al₂O₃(Патент РФ на изобретение №2621245, заявленный 17.12.2015 года).

В известном способе поверхность режущей пластины подвергали импульсному лазерному воздействию, каждая пачка импульсов которого формирует пятно лазерного луча с определенной мощностью пучка на образце, с коэффициентом перекрытия пятна лазерного луча в диапазоне 0,1-0,9. Обработку проводят с частотой следования импульсов 90-110 кГц, числом импульсов в пачке более 60 и мощности пучка на образце 7-8 Вт. Причем, коэффициент перекрытия лазерного пятна составляет 0,5-0,75.

Однако, данный способ применяется для повышения стойкости режущего инструмента, изготовленного из оксидно-карбидной керамики и неприемлем для обработки деталей из сталей.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ лазерной обработки деталей вращения (патент РФ на изобретение № 2058401, заявленный 13.07.1993 года).

Данный способ относится к области термической обработки стали с помощью лазерного луча при изготовлении деталей типа тел вращения, работающих в условиях трения со смазкой.

Сущность способа заключается в том, что в процессе обработки деталь вращают и смещают в осевом направлении, нагревают поверхность лучом лазера непрерывного действия с плотностью мощности 130-150- ВТ/ мм², диаметром расфокусировки 0,8-1,0 мм. Со степенью перекрытия зон нагрева 10-15% , прилинейной скорости обработки 45-55 мм/с.

Изобретение направлено на решение задачи повышения износостойкости конструкционных сталей за счет формирования маслоподающего рельефа в зоне нагрева (непрерывного обновления масла) при эксплуатации деталей, изготовленных этим способом.

При этом, технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в возможности снижения температуры в очаге трения и выноса продуктов трения из зоны эксплуатации.

Однако, технические результаты выше приведенного способа касаются производства деталей типа тел вращения, изготовленных из конструкционных сталей, поэтому параметры лазерной обработки, приведенные в формуле данного изобретения, не могут обеспечить необходимые свойства износостойкости эксплуатационных характеристик деталей тел вращения, изготовленных из инструментальных сталей, так как конструкционные стали более теплопроводны и требуют меньшего времени нагрева по сравнению с инструментальными.

Технической проблемой предлагаемого изобретения является повышение износостойкости деталей, типа тел вращения, изготовленных из инструментальных сталей с применением их лазерной обработки, работающих в условиях повышенных контактных нагрузках.

Технический результат достигается тем, что в способе лазерной обработки деталей, в частности, тел вращения из инструментальной стали, включающем вращение и осевое перемещение детали с последующей обработкой поверхности детали лучом лазера непрерывного действия со степенью перекрытия лазерных дорожек 10-15%, но обработку деталей проводят с плотностью мощности лазерного луча, равной 80-90Вт/мм2, диаметром пятна луча 3 мм, при линейной скорости обработки 6 мм/с.

Новым в предлагаемом изобретении является то, что, обработку деталей проводят с плотностью мощности лазерного луча, равной 80-90Вт/мм2, диаметром пятна луча 3 мм, при линейной скорости обработки 6 мм/с.

Основными параметрами лазерной обработки непрерывным лазером являются мощность излучения и диаметр пятна, которые определяют плотность мощности. Кроме того, к ним относят скорость перемещения детали относительно луча, от которой зависит длительность лазерного воздействия.

При обработке поверхности деталей непрерывным лазером используют последовательное наложение полос обработки плоских поверхностей и обработки цилиндрических поверхностей. В этом случае важной характеристикой является коэффициент перекрытия.

Способ осуществляли следующим образом. Деталь, имеющую форму тела вращения закрепляли в манипуляторе и сообщали ей вращательно- поступательное движение. На лазере непрерывного действия устанавливали режим генерации лазерного луча с плотностью мощности от 40 Вт/мм² до 130 Вт/мм², с диаметром пятна лазерного луча 3 мм. Скорость обработки изделия варьировалась от 6 мм/с - 12мм/с. При этом, степень перекрытия лазерных дорожек на изделии составляла 10-15%.

Оптимальные режимы способа определялись в процессе эксперимента при обработке роликов для накатывания резьбы, изготовленных из инструментальной стали Р6М5, на непрерывном СО₂- лазере-комплексе «Латус-31».

Измерение микротвердости образцов проводилось на микротвердомере ПТМ-3. Исследование микроструктуры проводилось с помощью оптического микроскопа.

Данные проведенных испытаний приведены в таблице. 1

Таблица 1

№ режима	Диаметр пятна, мм	Скорость обработки, мм/с	Плотность мощности излучения, Вт/мм²	Степень перекрытия лазерных дорожек, %	Максимальная микротвердость, МПа	Глубина упрочненного слоя, мм
1	3	6	40-50	10-15	7832	0,43
2	3	8	40-50	10-15	7516	0,4
3	3	12	40-50	10-15	6209	0,2
4	3	6	80-90	10-15	9356	0,6
5	3	8	80-90	10-15	9094	0,5
6	3	12	80-90	10-15	6315	0,2
7	3	6	110-120	10-15	6645	0,52
8	3	8	110-120	10-15	6435	0,45
9	3	12	110-120	10-15	5379	0,25
10	3	6	120-130	10-15	5676	0,4
11	3	8	120-130	10-15	5381	0,35
12	3	12	120-130	10-15	4640	0,15

Вывод из таблицы:

Для инструментальных сталей лазерную закалку следует проводить в узком интервале режимов обработки, обеспечивающих образование более мелкого мартенсита с достаточным количеством углерода, когда растворение карбидов находится на начальной стадии, и как следствие - получение высокой микротвердости. Рассмотренные условия могут быть обеспечены при лазерной обработке без оплавления либо с минимальным оплавлением поверхности.

При снижении скорости перемещения лазерного луча наблюдается увеличение глубины упрочненного слоя.

Коэффициент перекрытия лазерных дорожек 10-15% обеспечивает оптимальную площадь обрабатываемой поверхности.

Из таблицы видно из таблицы.1, что при режиме № 4 наблюдается максимальная микротвердость и наибольшая глубина упрочненного слоя, а наименьшие при режимах № 11 и 12.

Наилучший результат по показателям микротвердости при лазерной обработке для стали Р6М5 выбран следующим:

- мощность излучения - Р=80-90 Вт/мм2;

- скорость обработки - V=6 мм/с;

- диаметр пятна - d_п=3 мм;

- степень перекрытия лазерных дорожек 10-15%

На основании полученных данных, по микротвердости и микроструктуре, поверхностных слоев, обработанных лазерным излучением накатных роликов, вышеуказанные параметры лазерной закалки были выбраны, как оптимальные для поверхностного упрочнения.

В связи с этим, была проведена оценка влияния этих параметров излучения, а также химического состава обрабатываемых сталей на распределение микротвердости, изменение структуры в зоне термического влияния, и на этой основе определить область значений мощности, диаметра пятна излучения, скорости перемещения изделия, при которых наблюдается гарантированное упрочнение.

После лазерной обработки проводились металлографические исследования на шлифах, которые изготавливались на образцах с последующим травлением для выявления зонального строения микроструктуры. Измерение микротвердости проводилось на микротвердомере ПМТ3, фотографирование и оценка микроструктуры проводилось на оптическом микроскопе МИМ-7 и KEYENCE VHX-1000.

Также, были проведены исследования структуры на сканирующем электронном микроскопе VEGA TS5130 в режиме энерго-дисперсионного анализа при ускоряющем напряжении 20 кВ (фиг. 1,2).

После проведения лазерной обработки на поверхности стали Р6М5 образуется упрочненная зона. Глубже упрочненного слоя формируется переходная зона и далее расположен основной металл.

Исследования микроструктуры и микротвердости стали Р6М5 в отпущенном состоянии дали следующие результаты: структура зоны упрочнения представляет собой мартенсит и карбиды, то есть практически такую же, как и после обычной объемной закалки. Однако после лазерной обработки дисперсность мартенсита выше, чем после объемной термической обработки. От основного металла, зону упрочнения отделяет узкая переходная зона. Повышенная травимость переходной зоны обусловлена диффузионным концентрационным расслоением микроструктуры, с повышением карбидообразующих элементов в приграничных областях зерен.

Повышение микротвердости упрочненного слоя, по сравнению с основой, объясняется тем, что дисперсность мартенсита выше; в следствии обработки лазером повышаются микронапряжения.

В качестве демонстрации возможности применения предлагаемой лазерной обработки для повышения эксплуатационных характеристик и ресурса промышленных изделий производили обработку опытных партий роликов для накатывания резьбы из стали Р6М5 по режиму лазерной обработки, указанному выше, степень перекрытия лазерных дорожек составляла 10-15% (фиг. 3).

В ходе исследований сравнивалась стойкость роликов после обычной термической обработки и после лазерной обработки по заявленному режиму. В качестве критерия, определяющего ресурс работы инструмента, использовали максимально возможное число кондиционных изготовленных серийных деталей, до выхода из строя ролика.

На первом этапе исследовалась зависимость стойкости роликов от диметра резьбы накатываемых болтов (шифр изделия ОСТ1 31504-80). Данные приведены в таблице 2.

Также, были проведены исследования зависимости стойкости крепежных изделий от вида материалов, из которого были изготовлены изделия. Исходный материал имел следующие прочностные характеристики: титановый сплав ВТ16 с пределом прочности σв=810-930 МПа, титановый сплав ВТ1-00 с пределом прочности σв=290-480 МПа, сталь 14Х17Н2 с пределом прочности σв=720-740 МПа. Данные приведены в таблице 3.

Таблица 2

Диаметр резьбы болтов, мм	Условия обработки роликов
Объемная термообработка, тыс. шт.	Лазерная обработка, тыс. шт.
М4	45,2	58,2
М6	33,4	37,4
М8	31,0	35,6

Таблица 3

Материал	Условия обработки роликов
Объемная термообработка, тыс. шт.	Лазерная обработка, тыс. шт.
ВТ16	33,1	41,1
ВТ1-00	54,4	61,2
14Х17Н2	38,0	47,5

На третьем этапе производилось исследование зависимости стойкости роликов накатывании резьбы на болты от степени конечной деформации металла при изготовлении болтов из стали 20Г2Р с пределом прочности 550-600 МПа. Данные приведены в таблице 4.

Из приведенных данных таблиц 2-4 следует, что использование предлагаемого способа лазерной обработки позволяет, по сравнению с обычной объемной термообработкой, повысить износостойкость накатных роликов до 28%.

Таблица 4

Изделие (степень деформации, в %)	Условия обработки роликов
Объемная термообработка, тыс. шт.	Лазерная обработка, тыс. шт.
704.00.1293 (52)	39,2	46,1
704.00.1715 (57)	35,9	41,2
704.00.904 (63)	33,4	39,5

Предлагаемый способ лазерной обработки обеспечивает повышение стойкость инструментальных сталей, подвергающихся при эксплуатации повышенному износу и позволяет расширить номенклатуру упрочняемых лазером деталей в сторону увеличения габаритов их рабочих частей.

Способ лазерной обработки детали вращения из инструментальной стали, включающий вращение и осевое перемещение детали с обработкой поверхности детали лучом лазера непрерывного действия со степенью перекрытия лазерных дорожек 10-15%, отличающийся тем, что обработку детали лазерным лучом проводят с плотностью мощности лазерного луча, равной 80-90 Вт/мм², диаметром пятна лазерного луча 3 мм и при линейной скорости перемещения лазерного луча 6 мм/с.

Ось для рельсовых транспортных средств изготовлена из термообработанного материала, при этом во всех цилиндрических частях (2a) и переходных частях (2b) по всей длине (L) поверхности оси (1) поверхность оси (1) формируется усиленным, индукционно упрочненным слоем (2), имеющим равномерную глубину от поверхности оси (1), и этот индукционно упрочненный слой (2) продолжается с переходным слоем (3) с постепенно снижающимся градиентом упрочнения.

Способ термической обработки для получения деталей с повышенной размерной точностью // 2734208

Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к технологии термической обработки крепежных деталей ядерных реакторов. В способе термической обработки крепежных деталей ядерных реакторов из сталей бейнитного класса, включающем нагрев под закалку заготовок от температур на 30-50°С выше точки Ас3 с выдержкой 1,5-2 мин/мм сечения и последующий высокий отпуск при температуре 630-700°С с выдержкой 5-6 мин/мм сечения с охлаждением на воздухе, механическую обработку готовых деталей с припуском на химико-термическую обработку, химико-термическую обработку и последующее термическое улучшение, согласно изобретению после химико-термической обработки детали повторно подвергают закалке и высокому отпуску по идентичному режиму предварительной термической обработки и осуществляют дополнительный отпуск в диапазоне температур 450±10°С с выдержкой 2,0-7,0 часов с дальнейшим охлаждением на воздухе.

Способ производства термически обработанной листовой стали // 2732461

Изобретение относится к области металлургии. Для обеспечения каждой листовой стали исключительными качествами, такими как минимально возможный разброс свойств, осуществляют термическую обработку в линии, содержащей секцию нагрева, секцию выдержки и секцию охлаждения с системой охлаждения и обеспечением режима TPtarget.

Способ и устройство для охлаждения металлической подложки // 2731118

Изобретение относится к области металлургии. Для исключения образования температурных неоднородностей в подложке, получения заданной микроструктуры и механических свойств способ охлаждения металлической подложки (1), которая перемещается в продольном направлении (А), включает эжекцию по меньшей мере одной первой струи охлаждающей жидкости на первую поверхность указанной подложки (1) и по меньшей мере одной второй струи охлаждающей жидкости на вторую поверхность указанной подложки (1).

Способ динамического регулирования процесса производства термообработанного стального листа // 2731116

Изобретение относится к области металлургии. Для обеспечения равномерных механических свойств стального листа и повышения качества получают лист из стали с заданным химическим составом и микроструктурой mtarget, содержащей по меньшей мере одну фазу из феррита, мартенсита, бейнита, перлита, цементита и аустенита.

Способ производства проката из стали // 2729801

Изобретение относится к области металлургии, в частности к технологии горячей прокатки стали. Для определения структурного состояния прокатанного металла по технологическим параметрам прокатки выплавляют сталь требуемого химического состава, осуществляют ее прокатку с фиксацией технологических параметров и определяют структурное состояние полученного проката в зависимости от реализованных технологических параметров.

Способ нанесения покрытия на стальной лист или стальную полосу и способ изготовления закаленных под прессом деталей из них // 2729674

Изобретение относится к нанесению покрытия на стальные листы или стальные полосы. Предложен способ нанесения покрытия на стальной лист или стальную полосу, включающий нанесение основного слоя покрытия на основе алюминия методом горячего погружения и освобождение поверхности основного слоя покрытия от естественного слоя оксида алюминия с осаждением переходных металлов или соединений переходных металлов на освобожденную поверхность основного слоя покрытия с образованием верхнего слоя, при этом верхний слой осаждают в виде плоского слоя, имеющего распределение слоя на основе железа в диапазоне от 7 до 25 мг/м2.

Способ электромеханического дорнования // 2729272

Изобретение относится к электромеханическому дорнованию. Осуществляют перемещение дорна вдоль оси отверстия детали с плавным изменением плотности электрического тока, пропускаемого через место контакта дорна с поверхностью отверстия детали и формирование на поверхности ее отверстия закаленных кольцевых участков с различной твердостью.

Способ электромеханического дорнования // 2728131

Изобретение относится к электромеханическому дорнованию. Осуществляют перемещение дорна вдоль оси отверстия и формирование на поверхности отверстия упрочненных кольцевых участков с различной твердостью путем нагрева упомянутых кольцевых участков до температуры закалки кратковременным пропусканием электрического тока через место контакта дорна с поверхностью отверстия.

Способ электромеханического дорнования // 2728104

Изобретение относится к электромеханическому дорнованию. Осуществляют перемещение дорна вдоль оси отверстия детали с плавным изменением плотности электрического тока, пропускаемого через место контакта дорна с поверхностью отверстия детали, и формирование на поверхности ее отверстия закаленных кольцевых участков с различной твердостью.