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.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к способу поверхностной обработки стальной детали для обеспечения повышенной стойкости к износу и коррозии. Проводят этап азотирования или азотонауглероживания для образования составного слоя толщиной по меньшей мере 8 микрометров, образованного из нитридов железа фаз ε и/или γ', этап оксидирования для образования слоя оксидов толщиной от 0,1 до 3 микрометров и этап пропитки путем замачивания в течение по меньшей мере 5 минут в пропиточной ванне, образованной из по меньшей мере 70 мас.% плюс минус 1% растворителя, образованного из смеси углеводородов из фракции алканов C9-C17, из 10-30 мас.% плюс-минус 1% по меньшей мере одного парафинового масла, состоящего из фракции алканов C16-C32, и по меньшей мере одной добавки типа синтетической фенольной добавки в концентрации, составляющей от 0,01% до 3 мас.% плюс минус 0,1% при температуре окружающей среды.

Изобретение относится к формированию функциональных покрытий на стальной поверхности, обладающих высокой стойкостью к коррозионному разрушению и износу. Способ включает последовательное сверхзвуковое холодное газодинамическое напыление композиционных частиц порошка сверхзвуковой газовой струей на стальную поверхность и микродуговое оксидирование.
Изобретение относится к нанесению антифрикционного слоя на металлические поверхности, в частности на колодки и подшипники. Осуществляют отливку методом литья под давлением пластины из полиэфирэфиркетона.

Изобретение относится к покрытию деталей из жаропрочного сплава и может быть использовано при изготовлении деталей газовой турбины, в частности турбинных лопаток или теплозащитных экранов.

Изобретение относится к способу нанесения теплозащитного покрытия на лопатки турбин, работающих при высоких температурах в высоконагруженных двигателях. Наносят многослойное покрытие.

Изобретение относится к поверхностной обработке алюминированного стального листа под горячее прессование. Предложенный раствор содержит водную дисперсию ZnO (A) и диспергируемую в воде органическую смолу (B), причем водная дисперсия ZnO (A) содержит воду и частицы ZnO, имеющие средний размер частиц 10-300 нм, а диспергируемая в воде органическая смола (B) имеет средний размер частиц эмульсии 5-300 нм, и массовое соотношение (WA/WB) массы (WA) частиц ZnO в водной дисперсии ZnO к массе (WB) твердого содержимого в диспергируемой в воде органической смоле составляет от 30/70 до 95/5.

Изобретение относится к нанесению двухслойного покрытия и может быть использовано при повышении эксплуатационных свойств деталей, например, в авиадвигателестроении.

Изобретение относится к получению стальных деталей, упрочненных под прессом и изготавливаемых из листов, содержащих покрытие на основе алюминия и цинковое покрытие, и обладающих хорошими характеристиками в отношении фосфатирования и, следовательно, хорошим сцеплением с краской.

Изобретение относится к получению металлического материала с нефосфатным покрытием для процесса холодновысадочной пластической обработки. Предложена металлическая заготовка с нефосфатным покрытием для процесса пластической обработки и способ ее получения, включающий предварительную обработку поверхности металлического материала заготовки, нанесение слоя покрытия путем погружения металлического материала в агент для нанесения покрытия и нанесение смазывающего слоя.

Изобретение относится к изготовлению закаленных деталей из листовой стали с нанесенным покрытием на основе алюминия. Способ включает получение листовой стали с предварительно нанесенным металлическим покрытием, содержащим от 4,0 до 20,0 мас.% цинка, от 1,0 до 3,5 мас.% кремния, необязательно от 1,0 до 4,0 мас.% магния и необязательно дополнительные элементы, выбранные из Pb, Ni, Zr или Hf, и остальное - алюминий и неизбежные примеси, причем соотношение Zn/Si находится в диапазоне от 3,2 до 8,0, получение заготовки, ее термическую обработку при температуре в диапазоне от 840 до 950°С для получения в стали полностью аустенитной микроструктуры, горячую формовку заготовки для получения детали, охлаждение детали с получением в стали микроструктуры, являющейся мартенситной или мартенситно-бейнитной или образованной из по меньшей мере 75% равноосного феррита, от 5 до 20% мартенсита и бейнита в количестве, меньшем или равном 10%, и фосфатирование.

Энергоэффективное устройство лазерной резки материалов может быть использовано для оперативного и высокоточного изготовления сложноконтурных деталей из листовой заготовки.

Изобретение относится к гибридной лазерно-дуговой сварке металлоконструкций толщиной стенки от 8 до 12 мм. Способ гибридной лазерно-дуговой сварки тонкостенных стыковых соединений включает выполнение корневого шва электрической дуговой сваркой с плавящимся электродом в среде защитного газа совместно с лазерной сваркой в единой сварочной ванне.
Изобретение относится к гибридной лазерно-дуговой сварке металлоконструкций толщиной от 12 мм и выше, в частности к сварке продольных швов сформованных трубных заготовок при производстве труб большого диаметра из листового проката с толщиной стенки до 50 мм.

Изобретение относится к роботизированному порталу для лазерных резки и сварки цилиндрических трубных заготовок. Технический результат изобретения заключается в повышении качества сварного шва или реза при лазерной сварке и резке цилиндрических трубных заготовок.

Изобретение относится к сварке толстостенных металлоконструкций, в частности к сварке продольных швов сформованной цилиндрической заготовки, и может быть использовано при производстве сварных труб большого диаметра.

Изобретение относится к способу сварки тавровых соединений деталей и может найти применение в судостроении и машиностроении. Сварку угловых швов осуществляют одновременно с двух сторон таврового соединения без разделки свариваемых кромок с расположением тавра в горизонтальной плоскости.

Изобретение относится к производству труб большого диаметра и может быть использовано в отраслях промышленности, например судостроительной. В способе лазерно-дуговой сварки труб сварку трубной заготовки осуществляют гибридной лазерно-дуговой сваркой в импульсно-периодическом режиме, при котором выбирают одинаковую частоту пульсаций электрической дуги и лазерного излучения.

Изобретение относится к области лазерной или гибридной сварки и может быть использовано в разных отраслях промышленности, в т.ч. при производстве труб большого диаметра.

Группа изобретений относится к способу и устройству для лазерной наплавки металлического порошкового материала на поверхность изделия и может быть использована при аддитивном изготовлении изделий.

Изобретение относится к присадочной подаваемой проволоке для аддитивного производства, устройству для аддитивного производства и способу аддитивного производства.

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.

Наверх