Способ лазерной обработки поверхности стальных изделий


C21D1/06 - Изменение физической структуры черных металлов; устройства общего назначения для термообработки черных или цветных металлов или сплавов; придание ковкости металлам путем обезуглероживания, отпуска или других видов обработки (цементация диффузионными способами C23C; поверхностная обработка металлов, включающая по крайней мере один процесс, предусмотренный в классе C23, и по крайней мере другой процесс, охватываемый этим подклассом, C23F 17/00; однонаправленное отвердевание эвтектики или однонаправленное разделение эвтектик C30B)

Владельцы патента RU 2777793:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева» (КузГТУ) (RU)

Изобретение относится к способу лазерной обработки поверхности стальных изделий. Способ включает лазерное воздействие на поверхность стальных изделий, при этом лазерное воздействие производят посредством технологического лазерного комплекса, оборудованного иттербиевым импульсным волоконным лазером с плотностью мощности 108-109 Вт/см2, длительностью импульсов от 50 до 200 нс, с частотой следования 20 кГц при наложении лазерных пятен свыше 97%. Технический результат заключается в реализации процесса упрочнения стальных изделий без необходимости применения дополнительной обработки и дополнительного оборудования, с возможностью регулирования глубины упрочнения.

 

Изобретение относится к области упрочнения, улучшения механических свойств и стойкости к различным видам износа стальных изделий и может использоваться в различных отраслях машиностроения.

Известен способ получения наноструктурированной поверхности сталей методом лазерно-плазменной обработки (Патент РФ № 2447012, МПК B82B 3/00, С23С 4/12, B23K 26/34, C21D 1/09, опубликовано 10.04.2012, Бюл. № 10), включающий воздействие перемещаемым лазерным лучом на обрабатываемую поверхность в герметичной камере, заполненной инертным газом, например, аргоном, и газом-модификатором, например, азотом, при этом воздействие лазерным лучом на обрабатываемую поверхность осуществляют с плотностью мощности лазерного пятна на поверхности детали, равной (106-107) Вт/см2, и скоростью перемещения, равной 0,1-2 м/с при давлении газов в камере, равном 1,5-2 атм.

Недостатком известного технического решения является необходимость создания вакуумной камеры, заполненной газом под давлением.

Известен также способ лазерной закалки стали при широкой дорожке упрочнения (Патент РФ № 2703768, МПК C21D 1/09, опубликовано 22.10.2019, Бюл. № 30), включающий нагрев поверхности детали сфокусированным лучом лазера с широким пятном излучения до температуры в интервале АС1начС1кон, последующее непрерывное охлаждение поверхности детали в массу металла охлаждающей жидкостью, подаваемой непосредственно на участок поверхности, температура нагрева которого находится в интервале АС1начС1кон, с помощью трубок с формированием после охлаждения в поверхностном слое широкой дорожки упрочнения со структурой мартенсита, при этом трубки выполнены с возможностью регулирования расхода охлаждающей жидкости через каждую из них и установлены с возможностью изменения их взаимного положения по направлению относительного движения лазерного луча и объекта обработки.

Недостатком известного способа является необходимость дополнительной подачи охлаждающей жидкости, кроме того, при лазерном воздействии большим пятном на границе основного и упрочненного материалов возможно образование дефектов.

Технический результат – реализация процесса упрочнения стальных изделий, без необходимости применения дополнительной обработки и дополнительного оборудования, с возможностью регулирования глубины упрочнения.

Технический результат достигается тем, что способ лазерной обработки поверхности стальных изделий, включающий лазерное воздействие на поверхность стальных изделий, согласно изобретению, лазерное воздействие производят посредством технологического лазерного комплекса, оборудованного иттербиевым импульсным волоконным лазером с плотностью мощности 108-109 Вт/см2, длительностью импульсов от 50 до 200 нс с частотой следования 20 кГЦ при наложении лазерных пятен свыше 97 %.

Способ лазерной обработки поверхности стальных изделий осуществляется следующим образом.

Обработка поверхности стальных изделий производится на технологическом лазерном комплексе, оборудованном иттербиевым импульсным волоконным лазером, где плотность мощности составляет 108-109 Вт/см2. Длительность импульсов меняется от 50 до 200 нс. Частота следования лазерных импульсов составляет 20 кГц. Наложение лазерных пятен свыше 97%. При таком способе воздействия на стальное изделие образуются узкие глубокие (50-70 мкм, до 600 мкм) зоны переплавленного материала с твердостью 720 HV (для стали 45), 1150 HV (для стали 40Х).

Для раскрытия сущности заявленного изобретения приводим сведения о возможности его осуществления на примерах.

1. Измерение микротвердости и исследование микроструктуры в зоне обработки и вблизи нее производили на изделиях из сталей марок 45 и 40Х. Воздействие на лазерном технологическом комплексе производилось с плотностью мощности 108…109 Вт/см2, длительностью импульсов от 50 до 200 нс, частоте следования 20 кГц без наложения лазерных пятен. После изделия подвергли шлифовке и полировке, затем произвели травление поверхностей стальных изделий и исследовали структуру при помощи оптического микроскопа. При этом наблюдалось испарение стали глубиной 2-3 мкм в зоне лазерного воздействия.

2. Измерения микротвердости и исследования микроструктуры в зоне обработки и вблизи нее, производили на изделиях из сталей марок 45 и 40Х. Воздействие на лазерном технологическом комплексе производилось с плотностью мощности 108…109 Вт/см2, длительностью импульсов от 50 до 200 нс, частоте следования 20 кГц и наложением лазерных пятен свыше 97%. После изделия подвергли шлифовке и полировке, затем произвели травление поверхностей и исследовали структуру при помощи оптического микроскопа. Исследования показали, что при перемещении импульсного лазерного излучения с плотностью мощности ~ 109 Вт/см2 при длительности импульса 50-200 нс со скоростью меньше 10 мм/с и наложением лазерных пятен 97% и более, наблюдается глубокое «кинжальное» проплавление (~ 600 мкм при воздействии лазерным пятном диаметром ~ 60 мкм). Образуемая область переплавленного материала имеет высокую микротвердость: сталь 45 – 720 HV (при твердости основного материала 220 HV), сталь 40Х – 1150 HV (при твердости основного материала 230 HV).

Для исследования механических свойств стальных изделий были изготовлены цилиндрические образцы, длиной 20 мм и диаметром 6 мм из сталей марок 45 и 40Х. На расстоянии одного лазерного пятна друг от друга были нанесены линии накладываемых импульсов с длительностью 50 - 200 нс со скоростями сканирования лазерного луча 1 - 10 мм/с. Исследование процессов трения и изнашивания произвели на универсальной испытательной машине УМТ-3. Испытание на трение проводили под нормальной нагрузкой 23 Н, скорости скольжения - 0,2 м/с, дистанции 600 м, в качестве контртела использовали диск из стали марки 95Х18, твердость которого составляет 60 HRC. Наименьший износ наблюдается у образцов, подвергнутых лазерному воздействию при перемещении лазерного излучения 1 мм/с и длительности импульсов 200 нс. Износ образца из стали марки 40Х уменьшился с 1,58 мг/мин необработанного до 0,5 мг/мин подвергнутого лазерному воздействию образца. Также данный обработанный образец имеет наибольший коэффициент трения, что говорит о его высокой твердости. С течением времени коэффициент трения данного образца не изменился, что говорит о стабильности образованной структуры.

За счет создания «макрокомпозитов» из чередующихся линий, полученных с помощью «кинжального» проплавления, в широких пределах можно изменять механические свойства изделия. Возможно снижение интенсивности изнашивания материала до трех раз (с 1,58 мг/мин до 0,5 мг/мин для стали марки 40Х). Благодаря полученной форме закаленной области, образованная приповерхностная структура из чередующихся областей основного и закаленного материала, является стабильной и более износостойкой.

Предложенный способ доказывает возможность обработки поверхности стальных изделий, в процессе воздействия на технологическом лазерном комплексе, оборудованном иттербиевым импульсным волоконным лазером. Преимуществом предложенного способа является локализация воздействия, возможность обработки труднодоступных мест на значительном расстоянии. В результате такой обработки получаем глубокое «кинжальное» проплавление металла, без необходимости дальнейшей механической обработки изделия. Таким образом, с помощью лазерных комплексов, оборудованных волоконными лазерами с длительностью импульса десятки-сотни наносекунд, возможно проводить не только гравировку и маркировку поверхностей изделий, но и влиять на приповерхностную структуру материала, изменяя свойства всего изделия.

Способ лазерной обработки поверхности стальных изделий, включающий лазерное воздействие на поверхность стальных изделий, отличающийся тем, что лазерное воздействие производят посредством технологического лазерного комплекса, оборудованного иттербиевым импульсным волоконным лазером с плотностью мощности 108-109 Вт/см2, длительностью импульсов от 50 до 200 нс, с частотой следования 20 кГц при наложении лазерных пятен свыше 97%.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам производства высокоштампуемых листовых сверхнизкоуглеродистых IF-сталей, которые могут быть использованы для изготовления штампованных изделий особо сложной формы. Способ производства холоднокатаных полос из IF-стали включает выплавку стали, разливку, горячую прокатку с получением полос, травление, смотку полос в рулоны, холодную прокатку, рекристаллизационный отжиг в агрегате непрерывного отжига и дрессировку.

Изобретение относится к области упрочнения стали и может быть использовано в различных отраслях, например в металлургии, сельском хозяйстве, оборонной промышленности и машиностроении. Способ упрочнения стальной поверхности включает нагрев стальной поверхности электрической дугой обратной полярности, горящей с угольного электрода, перемещение угольного электрода вдоль стальной поверхности с одновременным перемещением в направлении стальной поверхности со скоростью, равной скорости его износа.

Изобретение относится к области упрочняющей термической обработки подшипниковой стали. Заявлена группа изобретений, включающая способ термической обработки деталей подшипников из теплостойкой подшипниковой стали в двух вариантах и детали подшипников, полученные указанным способом.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к холоднокатаному и термообработанному стальному листу для автомобильной промышленности. Лист изготовлен из стали, имеющей состав, включающий, масс.%: С: 0,3-0,4, Mn: 2,0-2,6, Si: 0,8 - менее 1,5, Al: 0,01-0,6, Мо: 0,15-0,5, Cr: 0,3-1,0, Nb ≤ 0,06, Ti ≤ 0,06, Ni ≤ 0,8, S ≤ 0,010, P ≤ 0,020, N ≤ 0,008, Cu ≤ 0,03, при необходимости В: 0,0003-0,005 и/или V ≤ 0,2, остальное - железо и неизбежные примеси.

Изобретение относится к металлургии, в частности к T-образному рельсу, имеющему высокопрочную подошву, и способу его получения. Способ изготовления высокопрочного T-образного рельса с закалённой подошвой включает следующие стадии, не которых получают T-образный рельс из углеродистой стали при температуре от 700 до 800°C; охлаждают упомянутый стальной рельс со скоростью охлаждения, которая, если отобразить её на графике в координатах XY с осью X, представляющей время охлаждения в секундах, и осью Y, представляющей температуру поверхности подошвы упомянутого стального T-образного рельса в °C, поддерживается в области между: графиком верхней границы скорости охлаждения, определяемым верхней линией, соединяющей координаты XY (0 с, 800°C), (80 с, 675°C), (110 с, 650°C) и (140 с, 663°C), и графиком нижней границы скорости охлаждения, определяемым нижней линией, соединяющей координаты XY (0 с, 700°C), (80 с, 575°C), (110 с, 550°C) и (140 с, 535°C).

Группа изобретений относится к плоскому стальному продукту, способу изготовления плоского стального продукта, способу изготовления закаленных под прессом деталей из плоского стального продукта и закаленной под прессом детали из плоского стального продукта. Предложенный плоский стальной продукт для последующей обработки аустенитизирующим отжигом в печи при температуре печи в диапазоне от 880°С до 950°С содержит покрытие на основе алюминия, включающее основной слой покрытия на основе алюминия, нанесенный методом горячего погружения и содержащий 1,8-15 мас.% кремния, предпочтительно 5-13 мас.% кремния, еще более предпочтительно 8-11 мас.% кремния.

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам и устройствам термической обработки крупногабаритных штампов. Способ регулируемой водо-воздушной закалки крупногабаритных штампов с заданным распределением структур по сечению от рабочей поверхности к хвостовику включает нагрев штампа до температуры закалки и регулируемое охлаждение штампа водо-воздушной смесью.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению изделий из отливок литейных жаропрочных легированных с особыми свойствами коррозионно-стойких сталей аустенитного класса для изготовления фланцев газоотводов газотурбинных двигателей газоперекачивающих агрегатов диаметром от 500 до 2500 мм, работающих в условиях предельных нагрузок при рабочих температурах выше 7000 °С.

Изобретение относится к способу химико-термической обработки литой монокристаллической лопатки из никелевого сплава для газовых турбин. Способ включает термическую обработку и диффузионное алитирование, при этом в качестве термической обработки проводят гомогенизацию и закалку лопатки, после чего лопатку помещают в контейнер, засыпают ее шихтовой смесью, содержащей алюминий и никель, а последующее диффузионное алитирование лопатки проводят при температуре алитирования, соответствующей температуре старения сплава, под воздействием деформации сжатия вдоль оси лопатки со сжимающим напряжением σ=(0,3-0,7)⋅σT, где σ - сжимающее напряжение, МПа, σT - предел текучести, МПа, и со скоростью нагружения менее 10-3 %/с-1.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к пластической деформации стали, в частности марки ЭИ-961Ш, в сочетании с термической обработкой, и может быть использовано при получении заготовок с улучшенными физико-механическими свойствами для изготовления изделий, предназначенных для эксплуатации при повышенных температурах вплоть до 600°С в различных областях промышленности, в том числе авиастроении и машиностроении.

Изобретение относится к нанотехнологии, оптоэлектронике и медицинской диагностике и может быть использовано при специфической флуоресцентной молекулярно-нацеленной визуализации маркеров, диагностике заболеваний, а также при изготовлении средств для обнаружения утечек. Квантовая точка имеет кристаллическую структуру вюрцита и размер 6-8 нм.
Наверх