Способ лазерного упрочнения металлических поверхностей

Изобретение относится к химико-термической обработке металлических, в первую очередь стальных, поверхностей с применением лазерных установок и оригинальных химических составов и может быть использовано для нанесения покрытий на любые поверхности. На металлическую поверхность наносят коксующийся термореактивный полимерный состав, превращающийся после прогрева в единую макромолекулу, содержащую одновременно атомы азота, титана и углерода. Под воздействием температуры, создаваемой лазерным лучом, состав деструктурирует, высвобождая высокоактивные атомы азота, титана и углерода, которые вступают в реакцию с образованием преимущественно нитрида титана с примесями карбида железа в среде пористого кокса. Затем температуру поднимают для деструкции кокса, а на оплавленной поверхности железоуглеродистого сплава остается более легкий слой твердых частиц. Способ обеспечивает повышение твердости и термической устойчивости железоуглеродистых сплавов за счет образования на их поверхности слоя нитрида титана с примесью карбида титана. 4 пр.

 

Изобретение относится к области химико-термической обработки железоуглеродистых металлических поверхностей, обеспечивающей повышение твердости, других прочностных свойств и термостойкости материала.

Известно, что наиболее высокой поверхностной твердостью и термостойкостью обладают нитриды и карбиды отдельных видов металлов, которые по указанным показателям превосходят любые марки сталей. А среди нитридов по показателю микротвердости (2000 кг/мм², на уровне алмаза) и температуре плавления (3000°С) на первом месте стоит нитрид титана, образующийся при взаимодействии атомов азота и титана. Однако осуществить процесс образования нитрида титана на упрочняемой металлической поверхности путем нанесения титана и воздействием на него азота невозможно, поскольку температура плавления титана (1668°С) выше температуры плавления сталей, а реакция образования нитрида проходит при 1200°С, т.е. намного ниже температуры плавления титана. Кроме того, газообразный азот невозможно удержать на поверхности металла.

Авторами разработан способ осуществления химико-термической обработки металлических, в первую очередь стальных поверхностей, с использованием лазерных установок и оригинальных химических составов.

Известен способ повышения поверхностной твердости и износостойкости покрытий путем напыления самофлюсующегося порошкового сплава из смеси хрома, никеля, марганца, бора, кремния и железа (А.С. СССР №1615222 А1, КЛ С23С 4/04, В23К 26/00 опубл. 23.12.90). Недостатком указанного способа является низкая прочность и термическая устойчивость по сравнению с нитридами большинства металлов.

Ближайшим прототипом заявляемого изобретения является способ обработки поверхности железоуглеродистых сплавов, включающий нанесение износостойкого покрытия из самофлюсующегося сплава на поверхность трения и последующее оплавление его лазерным лучом (см. патент RU 2161211 С1 от 12.01.2000 г.).

Метод применим для нанесения покрытий на любые поверхности, а не только на поверхности трения.

Однако самофлюсующийся сплав, представляющий собой смесь из семи порошков металлов, включая молибден и ниобий, с добавками бора и кремния, уступает по показателю поверхностной твердости и термостойкости нитридам любых металлов и особенно нитриду титана. Кроме того, порошки таких металлов, как молибден, ниобий и др., представляют собой крайне дорогие компоненты, получаемые по сложным технологиям.

Целью заявляемого изобретения является повышение твердости и термической устойчивости железоуглеродистых сплавов за счет образования на их поверхности слоя нитрида титана с примесью карбида титана.

Поставленная цель достигается тем, что на металлическую поверхность наносится коксующийся термореактивный полимерный состав, превращающийся после прогрева при температуре ~ 120÷170°С в единую макромолекулу, содержащую одновременно атомы азота, титана и углерода, которая под воздействием температуры 1200÷1300°С, создаваемой лазерным лучом, деструктурирует, высвобождая высокоактивные атомы азота, титана и углерода, которые вступают в реакцию, образуя преимущественно нитрид титана с примесями карбида железа в среде пористого кокса, сохраняющегося при температуре 1200÷1300°С, после чего температуру поднимают до 1600÷1800°С, при этом кокс деструктурирует, а на оплавленной поверхности железоуглеродистого сплава остается более легкий слой твердых частиц нитрида титана с примесью карбида титана (температура плавления которых ~ 3000°С).

Пример 1.

В реактор, снабженный обогревом и мешалкой, загружают эпоксидированный новолак (новолачную смолу промышленной марки ЭН-6), представляющий собой продукт эпоксидирования фенолформальдегидного новолака (в отвержденном состоянии имеет коксовое число 45%) (А), температуру повышают до +50°С, затем добавляют триэтаноламинотитанат (промышленная марка ТЭАТ) (Б) и коксующийся нефтяной пек (В) в соотношении А:Б:В=60:25:15. Смесь разбавляют добавкой ацетона до 5%. Приготовленную пастообразную смесь шпателем наносят на упрочняемую поверхность слоем 10 мм (или наливом при большем разбавлении). Затем нанесенный состав отверждают при 150°С в течение 12 минут. Отвержденный состав представляет собой полимер (макромолекула), с прочностью при сжатии 150 МПа, температурой начала деструкции 380°С, после деструкции при 1000°С коксовый остаток ~ 50%.

Отвержденное покрытие не разрушается под действием колебаний температур от -110°С до +120°С, случайных ударов и может быть подвергнуто лазерному воздействию в любое время после его отверждения.

Воздействие лазерным лучом осуществляют в два этапа. Первый этап -1250°С 12 минут, в течение которого полимер деструктирует, высвобождая чрезвычайно активные при этой температуре атомы титана, поглощающие также активные атомы азота*^{(* Поглощение азота титаном при высоких температурах описано во многих работах.)}, и атомы углерода, катализирующие реакцию образования нитрида титана. При этом подвижные атомы азота не рассеиваются благодаря образованию кокса - 50% от исходной массы. Второй этап - 1700°С 7 минут, во время которого деструктирует кокс и все возможные примеси, а на оплавленной поверхности металла образуется слой нитрида титана с примесью карбида титана (имеют температуру плавления ~ 3000°С), с микротвердостью 1900 кг/мм² (на уровне алмаза).

Пример 2.

Осуществляют аналогично примеру 1, но соотношение компонентов наносимой смеси А:Б:В=70:10:20, которую наносят слоем 15 мм, отверждают при 120°С в течение 30 минут и подвергают лазерному воздействию при 1200°С в течение 20 минут, а затем 1800°С в течение 5 минут.Микротвердость покрытия 1950 кг/мм². Термостойкость ~ 3000°С.

Пример 3.

Осуществляют аналогично примеру 1, но соотношение компонентов берут А:Б:В=50:40:10 и наносят слоем 5 мм, отверждают при 170°С в течение 5 минут и подвергают лазерному воздействию при 1300°С в течение 5 минут, а затем при 1600°С в течение 20 минут. Микротвердость покрытия 1850 кг/мм². Термостойкость ~ 3000°С.

Пример 4.

Осуществляют аналогично примеру 1, но лазерному воздействию подвергают при 1800°С в течение 20 минут. Микротвердость покрытия 1950 кг/мм². Термостойкость ~ 3000°С.

Способ лазерного упрочнения металлических поверхностей, включающий операцию нанесения износостойкого покрытия с последующим оплавлением лазерным лучом, отличающийся тем, что в качестве упрочняющего покрытия применяют отверждающуюся смесь эпоксидированного новолака (А), триэтаноламинотитаната (Б) и нефтяного пека (В) в соотношении А:Б:В от 70:10:20 до 50:40:10, которую наносят на поверхность металла слоем толщиной от 5 до 15 мм и отверждают при температуре от 120 до 170°С в течение от 5 до 30 минут, после чего подвергают воздействию лазерного луча, доводя температуру до 1200÷1300°С и поддерживая ее в течение от 5 до 20 минут до образования кокса и в его среде нитрида титана, затем повышают температуру до 1600÷1800°С и поддерживают ее в течение от 5 до 20 минут до деструкции и удаления кокса и примесей.