Способ комбинированного лазерного упрочнения стальных деталей

 

Изобретение относится к технологии поверхностного упрочнения стальных деталей, работающих с динамическими нагрузками в условиях интенсивного изнашивания. Целью изобретения является снижение энергозатрат, уменьшение шероховатости поверхности и повышение ударной вязкости стальных деталей. Способ включает предварительную термообработку стальных деталей на троостомартенсит, нанесение на легируемую поверхность обмазки, содержащей, мас;%: углерод 24-26: хром 12-13; марганец 12-13,' молибден 2-3; алюминий 3-6; оксиэтилированный лаурилсульфат натрия 15-25; изопропиловый спирт остальное, и последующее лазерное оплавление обмазки и материала основы. Использование предлагаемого способа позволяет получить износостойкие легирован- Hiae соли на дешевых сталях'типа 45 и использовать их при изготовленй'и изделий, работающих с динамическими нагрузками. 4 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 С 23 С 12/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4707222/02 (22) 19.06.89 (46) 07.02.92. Бюл. М 5 (71) Особое конструкторское бюро при Заводе "Ритм", r, Белгород и Московский автомобильно-дорожный институт (72) В.С.Картавцев, Я.Д,Коган, Ю.M.Лахтин, А.В.Романенко, В.Г.Рудычев и О,Г.Тарараксина (53) 621.9.048.7 (088.8) (56) Патент США М 4015100.

\ .. (54) СПОСОБ КОМБИНИРОВАННОГО ЛА-

ЗЕРНОГО УПРОЧНЕНИЯ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ (57) Изобретение относится к технологии поверхностного упрочнения стальных деталей, работающих с динамическими нагрузками в условиях интенсивного изнашиИзобретение относится к технологий поверхностного упрочнения стальных деталей, работающих с динамическими нагрузками в условиях интенсивного изнайивания.

Целью изобретения является снижение энергозатрат за счет снижения мощности излучения, уменьшение шероховатости йоверхности и повышение ударной вязкости. стальных деталей.Способ включает предварительную термообработку стальных деталей на троостомартенсит, нанесение на легируемую поверхность обмазки, содержащий хром, углерод, марганец. молибден и алюминий, а в качестве связующего оксиэтилированный лаурилсульфат натрия, разбавленнйй изо„,!Ж„, 1710595 А1 вания. Целью изобретения является снижение энергозатрат, уменьшение шероховатости поверхности. и повышение ударной вязкости стальных деталей. Способ включает предварительную термообработку стальных деталей на троостомартенсит, нанесение на легируемую поверхность обмазки, содержащей, мас.%: углерод 24 — 26; хром 12=13; марганец 12-13; молибден 2-3; алюминий 3 — 6; оксиэтилированный лаурилсульфат натрия 15 — 25; изопропиловый спирт остальное, и последующее лазерное оплавление обмазки и материала основы.

Использование предлагаемого способа позволяет получить износостойкие легированные соли на дешевых сталях типа 45 и использовать их при изготовлении изделий, работающих с динамическими нагрузками.

4 табл. пропиловым спиртом, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 24-26

Хром 12-13

Марганец 12 — 13

Молибден 2 — 3

Алюминий 3-6

Оксиэтилированный лаурилсульфат натрия 15 — 25

Изопропиловый спирт Остальное и последующее оплавление обмазки и материала основы лазерным излучением.

Введение в состав легирующей обмазки алюминия позволяет за счет выделения дополнительной энергии при его окончании, а также эа счет увеличения коэффициента поглощения лазерного излучения окисью алю1710595 миния получить глубину легированного слоя

1,0-1,1 мм при мощности излучения СОг-лазера 1 кВТ. Кроме этого, алюминий улучшает раскисление ванны жидкого металла, тем самым повышая качество легирования, и способствует получению более мелкодисперсной структуры легированного слоя, что повышает его износостойкость. При содержании алюминия менее 3 мас.)(, эффектувеличения глубины исчезает, при содержании более 6 мас. (, увеличивается шероховатость поверхности.

Молибден способствует повышению механических свойств легированного слоя, Но добавка молибдена положительна только в определенных пределах: как уменьшение количества молибдена менее 2 мас,,ь, так и увеличение его более 3 мас.g приводят к снижению ударной вязкости легированного слоя.

Наличие углерода в укаэанных пределах в обмазке обусловливает образование закалочных структур, Взаимодействие углерода при расплаве с карбидообразующими элементами (хром, молибден) приводит к образованию карбидной фазы, что в итоге обеспечивает высокую износостойкость легированного слоя. Увеличение содержания углерода в обмазке выше указанного предела вызывает образование трещин и пор.

Введение хрома в состав обмазки позволяет увеличить износостойкость и прочность получаемого слоя, повысить его теплостойкость. Уменьшение количества

"хрома ниже указанного предела снижает эти характеристики, повышение количества хрома приводит к увеличению содержания остаточного аустенита в легированном слое.

Введение марганца в указанных пределах дозволяет провести эффективное раскисление ванны расплава, снизить содержание сернистых соединений. Кроме того, наличие марганца в составе легированного слоя обеспечивает повышение его твердости. Уменьшение содержания марганца снижает эффект раскисления, увеличение приводит к снижению прочности.

Оксиэтилированный лаурилсульфат натрия (генапол), используемый в качестве связующего вещества, разбавленный изопропиловым спиртом, позволяет наносить однородные слои легирующей смеси как кисточкой, так и напылением на поверхности любой конфигурации, выгорание связки происходит только в зоне воздействия излучения. После лазерного легирования обмазки, легко смывается водой. Уменьшение концентрации оксиэтилированного ла„рилсульфата натрия менее 15 мас.$ приводит к осыпанию легирующего покрытия, увеличение его количества более 25 мас. ь приводит к тому, что смесь невозможно нанести на поверхность изделия вследствие слиш5 ком густой консистенции. Оксиэтилированный лаурилсульфат натрия (генапол), являющийся поверхностно-активным веществом с высокой смачивающей способностью, нетоксичен, газообразными продук10 тами сгорания являются углекислый газ и вода.

Состав генапола, моль:

Активные вещества (ПАВ) 50 2,0

Na Cl 4,5-6,0

15 йаг$0з 1,0 — 3,0

Несульфидированные жирные спирты 3,0-3,0

Окись этилена 3 рН 5 -ного водного раствора 6,7-7,5.

20 Закалка стального изделия на троостомартенсит позволяет за счет увеличения теплопроводности увеличить глубину лазерного легирования на 15-207.

Пример. В лабораторных условиях

25 готовят шесть смесей из указанных компонентов, отличающихся их соотношением, а также известную смесь (табл, 1).

Лазерному легированию подвергают образцы из стали У8 с размерами 80 х 40 х

30 20 мм при мощности излучения COz-лазера

1 кВт, сфокусированного в пятно диаметром

1 мм. и скорости перемещения 5 мм/с, толщина легирующего покрытия составляет

300 — 400 мкм.

35 Для определения глубины и качества легированного слоя образцы разделяют электроэрозионным методом поперек дорожек лазерного легирования. Исследованию подвергают шлифы, приготбвленные Ilo стан40 дартной методике. Глубину и качество легирования определяют на микроскопе

MMP -2Р, Результаты испытаний приведены в табл, 2.

45 Наиболее высокими показателями обладают слои, легированные составами 2 — 4.

Варианты 1 и 5 содержат соответственно заниженное и завышенное количество вводимых в состав обмазки компонентов. Как

50 завышенное, так и заниженное содержание легирующих элементов ухудшает качество ,легированного слоя. Следовательно, оптимальными вариантами состава обмазки являются 2 — 4, 55 Одновременное изменение содержания легирующих компонентов состава обмазки эа пределами оптимальных вариантор приводит к ухудшению качества легированных слоев, что не позволяет проводить их испытания на ударную вязкость. Поэтому

1710595

12;5

12,5

10

Таблица 1

50 для проведения испытаний на ударную вязкость компоненты состава обмазки (кроме молибдена) взяты из оптимальных вариантов. Варьируют содержание молибдена.

Легирующий состав,,мас, :, Углерод

Хром .

Марганец

Алюминий

Оксиэтилированный лаурилсульфат натрия 20

Концентрация молибдена изменяется в пределах 1 — 4 мас,$.

Результаты измерений приведены в табл. 3. 15

Оптимальное содержание молибдена в легирующей обмазке составляет 2-3 мас.$.

При увеличении и уменьшении содержания молибдена уменьшается ударная вязкость легированного слоя,:. -:, 20

Влияние исходной термической обработки на глубину лазерного легирования определяют на образцах йз стали Ув при лазерном легировании по укаэанной технологии оптимальным составом обмазки.. : 25

Полученные значения глубины легирования приведены в табл. 4, Максимальное значение .глубийы легирования получено при исходной твердости

НВСэ 30-32, т.е. при закалке на троостомар-. 30 тенсит. При малой твердости, в состоянии поставки, наблюдается большой разброс глубины,легирования, -обусловленный структурной. неоднородностью. С увеличением твердости возрастает количество ос- 35 таточного аустенита и мартенсита закалки, что приводит к снижению теплопроводности и глубины легирования стали.

Лучшие результаты показал следующий состав, мас. : . 40

Углерод 25

Хром 12,5 .

Марганец 12,5

Молибден 3

Алюминий 4 45

Оксиэтилированный лаурилсульфат натрия 20

Изопропиловый спирт 23

Увеличение глубины лазерного легирования достигается закалкой стального изделия на троостомартенсит (НВСэ 30-32).

Использование предлагаемого способа позволит получить износостойкие легированные слои на дешевых сталях типа стали

45 и использовать их при изготовлении изделий, работающих с динамическими нагрузками, например вырубных штампов.

Для лазерного легирования возникает воэможность применять значительно более дешевые и недефицитные лазеры средней (1-1,5 кВт) мощности с получением глубины и качества легированного слоя, соответствующих тем, которые получены при использовании более дорогих мощных лазеров мощностью более 3 кВт.

Формула изобретения

Способ комбинированного лазерного упрочнения стальных деталей, включающий нанесение на легируемую поверхность об-. мазки, содержащий хром, углерод, марганец. а в качестве связующего изопропиловый .спирт, последующее оплавление обмазки и материала основы лазерным излучением, отличающийся тем, что, с целью снижения энергозатрат за счет снижения мощности излучения, уменьшения шероховатости и повышения ударной вязкости стальных деталей, перед нанесением обмааки проводят предварительную термообработку стальных деталей на троостомартенсит, а в состав обмазки дополнительно вводят алюминий, молибден и оксиэтилированный лаурилсульфат натрия при следующем соотношении компонентов, мас, g,:

Углерод 24-26

Хром 12-13

Марганец 12-13

Молибден 2-3

Алюминий 3-6

Оксиэтилированный лаурилсульфат натрия 15-25

Изопропиловый спирт Остальное

1710595

Продолжение табл, 1

Таблица 2

Глубина легированного слоя, мм

Состав-для легирования

Поры, участки без легирования

Нет дефектов

° !

0,4-0,7

Известный

Таблица 3

Таблица 4

Составитель С.Кучерявый

Техред М.Моргентал Корректор M.Ïoæî

Редактор В.Петраш

Заказ 312 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

2 .

4

0,5-0,7

0,9-1.0

0,9-1,1

0,9-1,1

0 — 1,0

Качество легированного слоя, изменения, на пове хности об аз а

Затруднено. равномерное нанесение состава на поверхность образца, увеличение шерохо-. ватости, непроплавленные участки

Трещины, осыпание состава при усложнении и о иляоб аз а