Способ поверхностного упрочнения изделий из стали

Изобретение относится к химико-термической обработке металлов и сплавов и может быть использовано для упрочнения поверхности рабочих органов технологического оборудования пищевых производств и потребительской транспортной тары для упаковки пищевых продуктов. Способ включает нанесение покрытия с последующей лазерной обработкой, при этом покрытие наносят осаждением хрома при катодной плотности тока 3,5-5,5 мА/мм² в течение 60-90 мин из водного электролита или формированием слоя боридов железа при температуре 800-1000°С в течение 150-180 мин из солевого расплава, а лазерную обработку проводят в режиме импульсного излучения с удельной мощностью 2,4-2,6 кВт/мм² и скоростью сканирования 1,75-2,25 мм/с. Технический результат: повышение микротвердости и адгезионной прочности за счет формирования диффузионной зоны твердого раствора железо-хром или зоны боридов железа на деталях технологического оборудования истирающего действия для пищевой и зернодобывающей промышленности. 1 табл.

 

Изобретение относится к химико-термической обработке металлов и сплавов, в частности к способам поверхностного упрочнения изделий из углеродистых и легированных сталей путем применения лазерной химико-термической обработки, и может быть использовано для упрочнения поверхности рабочих органов технологического оборудования пищевых производств и потребительской транспортной тары для упаковки пищевых продуктов.

Известен способ поверхностного упрочнения изделий из стали, включающий лазерную обработку части защищаемой поверхности изделия, составляющей 10-15% всей площади [1].

Недостатком данного способа является низкая микротвердость, так как в процессе лазерной обработки поверхностных слоев создается значительная химическая (по углероду) и структурная неоднородность, уменьшающая эффективность защиты от коррозии и изнашивания.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ поверхностного упрочнения изделий из стали и алюминия, включающий нанесение на поверхность мелкодисперсного порошка никеля и бора с последующей обработкой лазерным излучением [2].

Недостатком данного способа являются низкие микротвердость и адгезионная прочность вследствие того, что структура диффузионной зоны от покрытия к материалу основы представляет собой двухфазную систему дендритов интерметаллических фаз и твердого раствора.

Задачей данного изобретения является повышение микротвердости и адгезионной прочности за счет формирования диффузионной зоны твердого раствора железо-хром или зоны боридов железа на деталях технологического оборудования истирающего действия для пищевой и зернодобывающей промышленности.

Поставленная задача достигается тем, что в способе поверхностного упрочнения изделий из стали, включающем нанесение покрытия с последующей лазерной обработкой, отличием является то, что покрытие наносят осаждением хрома при катодной плотности тока 3,5-5,5 мА/мм² в течение 60-90 мин из водного электролита, а лазерную обработку проводят в режиме импульсного излучения с удельной мощностью 2,4-2,6 кВт/мм² и скоростью сканирования 1,75-2,25 мм/с.

Или поставленная задача достигается также тем, что в способе поверхностного упрочнения изделий из стали, включающем нанесение покрытия с последующей лазерной обработкой, отличием является то, что покрытие наносят формированием слоя боридов железа при температуре 800-1000°С в течение 150-180 мин из солевого расплава, а лазерную обработку проводят в режиме импульсного излучения с удельной мощностью 2,4-2,6 кВт/мм² и скоростью сканирования 1,75-2,25 мм/с.

Использование в качестве элементов, упрочняющих поверхность, хрома и бора обусловлено, с одной стороны, тем, что данные элементы допущены Минздравом России для контакта со средами пищевых производств и пищевыми продуктами; с другой стороны, хром и бор в виде боридов железа упрочняют поверхность из углеродистых и легированных сталей.

Осаждение хрома осуществляют при катодной плотности тока 3,5-5,5 мА/мм² в течение 60-90 мин из водного электролита, что надо для получения слоя хрома необходимой толщины. Осаждение хрома при меньшей катодной плотности тока в течение меньшего времени позволяет получить слои хрома незначительной толщины, которые при последующей лазерной обработке не обеспечивают необходимой концентрации хрома в диффузионной зоне твердого раствора. Осаждение хрома при большей катодной плотности тока в течение большего времени позволяет получить слои хрома более значительной толщины, которые обладают малой адгезией к материалу-основе и могут отслаиваться.

Формирование слоя боридов железа осуществляют при температуре 800-1000°С в течение 150-180 мин из солевого расплава, что надо для получения слоя боридов железа необходимой толщины. Формирование слоев боридов железа при меньшей температуре в течение меньшего времени не происходит вследствие малой жидкотекучести расплава и низкой насыщающей способности, обусловливающих уменьшение интенсивности диффузии бора в поверхностные слои изделий.

Формирование слоев боридов железа при большей температуре в течение большего времени приводит к разупрочнению сердцевины изделий, к интенсивному растравливанию и оплавлению их поверхности.

Лазерную обработку проводят в режиме импульсного излучения с удельной мощностью 2,4-2,6 кВт/мм² и скоростью сканирования 1,75-2,25 мм/с. Данные режимы лазерной обработки обеспечивают значительное ускорение диффузии легирующих элементов и образование твердых растворов в диффузионной зоне. Плавное изменение концентрации легирующих элементов по глубине диффузионной зоны обусловливает соответствующее изменение физико-химических свойств, за счет чего достигается повышение микротвердости и адгезионной прочности. Проведение лазерной обработки при меньшей удельной мощности и большей скорости сканирования приводит к формированию неоднородной диффузионной зоны малой протяженности с низким средним уровнем микротвердости. Проведение лазерной обработки при большей удельной мощности и меньшей скорости сканирования приводит к образованию кратеров проплавления, глубина которых превышает толщину диффузионного слоя, и к снижению микротвердости при переходе через границу оплавления.

Способ осуществляют следующим образом.

На изделие из стали осаждают хром из водного электролита или формируют слой боридов железа из солевого расплава по следующим технологическим схемам.

Хром осаждают из водного электролита, содержащего, г/л:

СrО₃ 225-275

H₂SO₄ 2,0-3,0

Н₂О остальное

Осаждение хрома проводят при катодной плотности тока 3,5-5,5 мА/мм² в течение 60-90 мин.

Формирование слоя боридов железа осуществляют из солевого расплава, содержащего, маc. %:

Nа₂В₄O₇ 40-60

В₄С 30-50

NaF остальное

Слой боридов формируют при температуре 800-1000°С в течение 150-180 мин.

Лазерную обработку слоев хрома или слоев боридов железа проводят в режиме импульсного излучения с удельной мощностью 2,4-2,6 кВт/мм² и скоростью сканирования 1,75-2,25 мм/с.

Пример №1.

На стальные изделия, изготовленные, например, из углеродистых сталей с содержанием углерода 0,2-0,8%, предварительно обезжиренные, декапированные и промытые, осаждают хром или формируют слой боридов железа. Хром осаждают из водного электролита, содержащего, г/л:

СrО₃ 250

H₂SO₄ 2,5

H₂O остальное

Осаждение хрома проводят при катодной плотности тока 4,5 мА/мм² в течение 75 мин.

Формирование слоя боридов железа осуществляют из солевого расплава, содержащего, маc. %:

Na₂B₄O₇ 50

В₄С 40

NaF остальное

Слой боридов формируют при температуре 900°С в течение 165 мин.

Лазерную обработку слоев хрома или слоев боридов железа проводят в режиме импульсного излучения с удельной мощностью 2,5 кВт/мм² и скоростью сканирования 2 мм/с.

Полученное покрытие со структурой поверхностных твердых растворов железо-хром обладает микротвердостью 6 ГПа при микротвердости сердцевины 2 ГПа, а покрытие со структурой боридов железа обладает микротвердостью 7 ГПа при микротвердости сердцевины 1 ГПа.

Пример №2.

Поверхностное упрочнение изделий из стали осуществляют так, как указано в примере №1, а хром осаждают из водного электролита, содержащего, г/л:

СrО₃ 225

H₂SO₄ 2,0

Н₂О остальное,

при катодной плотности тока 3,5 мА/мм² в течение 60 мин.

Формирование слоя боридов железа осуществляют из солевого расплава, содержащего, маc. %:

Na₂B₄O₇ 40

В₄С 50

NaF остальное

Слой боридов формируют при температуре 800°С в течение 150 мин. Лазерную обработку слоев хрома или слоев боридов железа проводят в режиме импульсного излучения с удельной мощностью 2,4 кВт/мм² и скоростью сканирования 2,25 мм/с.

Полученное покрытие со структурой поверхностных твердых растворов железо-хром обладает микротвердостью 5 ГПа при микротвердости сердцевины 2 ГПа, а покрытие со структурой боридов железа обладает микротвердостью 6 ГПа при микротвердости сердцевины 1 ГПа.

Пример №3.

Поверхностное упрочнение изделий из стали осуществляют так, как указано в примере №1, а хром осаждают из водного электролита, содержащего, г/л:

СrО₃ 275

H₂SO₄ 3,0

Н₂О остальное,

при катодной плотности тока 5,5 мА/мм² в течение 90 мин.

Формирование слоя боридов железа осуществляют из солевого расплава, содержащего, маc. %:

Na₂B₄O₇ 60

В₄С 30

NaF остальное

Слой боридов формируют при температуре 1000°С в течение 180 мин. Лазерную обработку слоев хрома или слоев боридов железа проводят в режиме импульсного излучения с удельной мощностью 2,6 кВт/мм² и скоростью сканирования 1,75 мм/с.

Полученное покрытие со структурой поверхностных твердых растворов железо-хром обладает микротвердостью 4 ГПа при микротвердости сердцевины 2 ГПа, а покрытие со структурой боридов железа обладает микротвердостью 5 ГПа при микротвердости сердцевины 1 ГПа.

Испытание микротвердости покрытий со структурой поверхностных твердых растворов железо-хром и диффузионных слоев со структурой боридов железа, полученных на стали по предлагаемому способу, проводили на микротвердомере ПМТ-3 при нагрузке 50 г.

Результаты испытаний микротвердости диффузионных слоев со структурой боридов железа по предлагаемому способу и для сравнения покрытий на основе Fe-B по прототипу представлены в таблице.

Таблица
Сравнительные данные по микротвердости покрытий по предлагаемому способу и прототипу
Осуществление технологического процесса	Микротвердость диффузионных покрытий со структурой боридов железа, ГПа
По предлагаемому способу	7
По прототипу	5

Как видно из таблицы микротвердость диффузионных покрытий со структурой боридов железа по предлагаемому способу в 1,4 раза выше, чем по прототипу, изменяясь с 5 до 7 ГПа.

Использование предлагаемого способа по сравнению с прототипом позволит в 1,4 раза повысить микротвердость упрочненных изделий из стали, увеличить адгезионную прочность диффузионных покрытий, что обеспечит повышение долговечности рабочих органов технологического оборудования истирающего действия для пищевой и зерноперерабатывающей промышленности, работающих в условиях одновременного воздействия динамических и усталостных нагрузок.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент РФ №2061100, 27.05.96. Бюл. №15. С 23 F 15/00.

2. А.С. СССР №1694692 A1, 30.11.91. Бюл. №44. С 23 С 12/00.

Способ поверхностного упрочнения изделий из стали, включающий нанесение покрытия с последующей лазерной обработкой, отличающийся тем, что покрытие наносят осаждением хрома при катодной плотности тока 3,5-5,5 мА/мм² в течение 60-90 мин из водного электролита или формированием слоя боридов железа при температуре 800-1000°С в течение 150-180 мин из солевого расплава, а лазерную обработку проводят в режиме импульсного излучения с удельной мощностью 2,4-2,6 кВт/мм² и скоростью сканирования 1,75-2,25 мм/с.