Способ контроля толщины упрочненного слоя при лазерной термической обработке металлических изделий

 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к технологии лазерного термоупрочнения поверхностного слоя опор скольжения и качения деталей. На участке поверхности металлического изделия детали после лазерной обработки в локальной области закаленного металла, ограниченной по ширине параметром b_max = (0,3 - 0,7)dⁿ, где d_n - диаметр лазерного луча, измеренный на поверхности детали, определяют содержание углерода C в мартенсите, оббразовавшемся в поверхностном слое, а толщину закаленного слоя находят по выражению δ_с=КС+B, где К и В - постоянные коэффициенты для данной марки стали и режима обработки, определяемые из графических зависимостей δ_с от С. 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к технологии лазерного термоупрочнения поверхностного слоя опор скольжения и качения деталей. Цель изобретения снижение трудоемкости и материальных затрат при определении толщины слоя. Поставленная цель достигается тем, что в способе контроля толщины упрочненного слоя при лазерной термической обработке металлических изделий, заключающемся в том, что рабочую поверхность изделия подвергают лазерной обработке, получают структурно-измененный поверхностный слой, а затем определяют расстояние от поверхности до внутренней границы этого слоя и основного металла, на участке поверхности металлического изделия (детали) после лазерной обработки в локальной области закаленного металла, ограниченной по ширине параметров B_max (0,3-0,7)d_n, где d_n диаметр лазерного луча, измеренный на поверхности детали, определяют содержание углерода С в мартенсите, образовавшемся в поверхностном слое, а толщину закаленного слоя находят по выражению δ_c КС + В, где К и В постоянные коэффициенты для данной марки стали и режима обработки, определяемые из графических зависимостей δ_c от С. Анализ известных технических решений в данной области позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками в заявляемом способе контроля толщины упрочненного лазером слоя, и признать заявляемое решение соответствующим критерию "существенные отличия". Существенными отличиями предлагаемого способа является то, что он основан на взаимосвязи структурного состояния и физико-механических свойств (микротвердости) металла. Причем установлено, что эти характеристики упрочненного слоя достаточно стабильны в пределах закаленного объема металла, ограниченного по ширине параметром В_max (0,3-0,7)d_n, а по толщине искомой глубиной слоя δ_c Это подтверждается исследованиями микроструктуры и распределения микротвердости (фиг. 2). При этом микроструктура материала в рассматриваемом объеме также однородна и представляет собой в основном мелкодисперсный мартенсит с вполне определенной концентрацией в нем углерода. Испытания на износостойкость и контактную выносливость показали, что именно этот объем определяет служебные свойства упрочненной поверхности. В результате рентгеноструктурных исследований, выполненных на дифрактометре ДРОН-3, было установлено, что содержание углерода в мартенсите (также как и микротвердость) изменяется с расстоянием от поверхности к сердцевине (основной металл). Причем выявлена строгая корреляционная линейная зависимость (фиг. 3) между содержанием углерода С в зоне, ограниченной величиной В_max (0,3-0,7)b_n, и толщиной слоя δ_c Эта зависимость описывается выражением δ_c КС + b, где К и b постоянные коэффициенты. Эти коэффициенты, зависящие от марки стали и параметров слоя, определяются из графических зависимостей толщины от содержания углерода С (фиг. 3). В случае применения специальных устройств, обеспечивающих равномерное распределение мощности в пределах ширины лазерного трека, δ_c сonst и b_max d_n. П р и м е р. Рабочая поверхность детали стакана подшипника трактора из стали 45 в нормализованном состоянии подвергалась лазерной обработке на непрерывном СО₂-лазере "Комета" мощностью 1 кВт. Для получения упрочненных слоев с различными толщинами скорости перемещения лазерного луча на поверхности детали составляли V_л1 10 и V_л2 50 мм/с. Из детали изготавливали микрошлиф, а затем на приборе ПМТ-3 измеряли микротвердость на различных расстояниях от поверхности. По предлагаемому способу поверхность детали подвергали лазерной обработке, затем непосредственно на детали на участках, ограниченных размерами (0,1-0,9)d_л, рентгеновским способом на различных расстояниях от поверхности определяли содержание углерода в мартенсите закаленного слоя. Погрешность определения углерода в мартенсите не превышала 0,02% На фиг. 3 показаны зависимости толщины закаленности слоя δ_c от содержания углерода С в мартенсите при обработке со скоростью V_л 10 мм/с при фокусном расстоянии F 23 мм. Из этих зависимостей были найдены толщины закаленного слоя в различных зонах. Результаты измерений приведены в таблице. Для сопоставления приведены толщины упрочненного слоя, полученные при измерениях на шлифе методом микротвердости (прототип). Примеры на граничные значения приведены в таблице. Здесь же указаны и запредельные значения. Из таблицы видно, что в пределах b_max (0,3-0,7)d_л толщина слоя практически не изменяется, а ее значения, полученные с помощью предложенного способа, незначительно отличаются от измерений по прототипу. Аналогичные результаты получены для всех исследуемых технологических вариантов лазерной обработки. При значениях b_max меньше 0,3b_л и b_max больше 0,7 d_л наблюдаются значительные погрешности при определении толщины упрочненного слоя, что может приводить к увеличению трудоемкости и материальных затрат, т.к. в этом случае для определения заданной толщины слоя δ_c необходимо использовать металлографические шлифы, вырезанные из окончательно изготовленной детали. Предлагаемый способ контроля параметров лазерного слоя с помощью контрольного образца позволяет отказаться от контроля параметров лазерного слоя при помощи металлографических шлифов, изготавливаемых из готовых деталей (лазерная обработка во всех случаях является финишной операцией) и тем самым существенно сократить трудозатраты.

Формула изобретения

СПОСОБ КОНТРОЛЯ ТОЛЩИНЫ УПРОЧНЕННОГО СЛОЯ ПРИ ЛАЗЕРНОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ, включающий предварительное определение графической зависимости толщины упрочненного слоя при закалке лазером от заданного параметра на опытных образцах из стали изделия, измерение заданного параметра на изделии и определение толщины упрочненного слоя на изделии по значению заданного параметра из графической зависимости, полученной на опытных образцах, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, толщину упрочненного слоя опытных образцах определяют в зависимости от концентрации углерода в мартенсите стали, а в качестве параметра измеряют концентрацию углерода в мартенсите стали на поверхности изделия в зоне, ограниченной по ширине (0,3 - 0,7)d, где d - диаметр луча лазера на поверхности изделия.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 2-2002

Извещение опубликовано: 20.01.2002        

---