способ поверхностной упрочняющей обработки железоуглеродистых сплавов

Формула изобретения

Способ поверхностной упрочняющей обработки железоуглеродистых сплавов, включающий нанесение на обрабатываемую поверхность светопоглощающего материала, облучение ее лазерным лучом и последующую ее обработку, отличающийся тем, что в светопоглощающий материал дополнительно вводят порошок меди и флюс, облучение ведут до оплавления меди, а обработкой удаляют остатки нанесенного покрытия.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для повышения износостойкости узлов и деталей различных машин и механизмов, а также инструмента, изготавливаемых из железоуглеродистых сплавов.

Известен способ лазерно-термической обработки углеродистых сплавов на основе железа, включающий объемный нагрев изделия до 75-90^oC и последующий лазерный нагрев поверхности до температуры аустенитного состояния (см. описание к патенту РФ N 2121004, C 21 D 1/09, 1998 /1/). Данный способ предотвращает разупрочнение поверхности в процессе обработки. Недостатком известного способа является относительно низкое упрочнение обрабатываемой поверхности и повышенные энергозатраты, обусловленные необходимостью объемного нагрева изделий.

Известен способ поверхностной упрочняющей обработки, включающий локальную обработку лучом лазера с определенным расположением упрочненных элементарных площадок и механическую обработку этой поверхности эластичным абразивным алмазным инструментом до образования на ней регулярного рельефа (см. описание к а.с. СССР N 1148350, C 21 D 1/09, 1983 /2/). Недостатком известного способа является то, что упрочняется не вся поверхность изделия, а отдельные участки. Кроме того, и эти упрочненные участки имеют недостаточно высокие показатели микротвердости и износостойкости.

Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности является способ поверхностной упрочняющей обработки железоуглеродистых сплавов, например сталей, известный из описания к патенту РФ N 2058400, C 21 D 1/09, 1996 /3/. Известный способ включает нанесение на обрабатываемую поверхность светопоглощающего материала, облучение поверхности лазерным лучом и последующую ее механическую обработку. При этом светопоглощающий материал наносят с образованием определенного геометрического рисунка.

При воздействии лазерного луча на поверхности с темной окраской, обладающей повышенной поглощающей способностью, мартенситное превращение в поверхностных слоях стали происходит с большей степенью искажения кристаллической решетки, чем на участках, не подверженных окраске. В результате объем материала зон с темной окраской увеличивается в большей степени, чем со светлой, образуя тем самым рельеф, выступающий над исходным профилем. Нанося на обрабатываемую поверхность рисунок, представляющий собой чередование светлых и темных зон, расположенных в требуемой регулярной последовательности, можно воспроизвести его на рассматриваемой поверхности в виде регулярного рельефа.

В качестве обработки используют эластичное шлифование, например, лепестковыми кругами, что позволяет в еще большей степени увеличить высоту образуемых выступов регулярного рельефа, так как области, имеющие повышенную твердость (темные зоны), в большей степени, чем светлые, сопротивляются снятию припуска, поэтому толщина материала, удаляемого с них, меньше, чем в зонах, которые не окрашивались при обработке.

Недостатком известного способа является недостаточно высокое упрочнение обрабатываемых поверхностей.

Заявляемый в качестве изобретения способ поверхностной упрочняющей обработки железоуглеродистых сплавов направлен на повышение прочностных характеристик обрабатываемых поверхностей.

Указанный результат достигается тем, что способ поверхностной упрочняющей обработки железоуглеродистых сплавов включает нанесение на обрабатываемую поверхность светопоглощающего материала, облучение ее лазерным лучом и последующую ее обработку, при этом в светопоглощающий материал дополнительно вводят порошок меди и флюс, облучение ведут до оплавления меди, а обработкой удаляют остатки нанесенного покрытия.

Отличительными признаками заявляемого способа являются:

- введение в светопоглощающий материал флюса и порошка меди;

- облучение лазером осуществляют при режимах, обеспечивающих расплавление меди;

- удаление обработкой остатков нанесенного покрытия.

Экспериментально было установлено, что если в светопоглощающее покрытие ввести порошок меди и провести обработку лазерным лучом при режимах, обеспечивающих расплавление меди, то поверхностная прочность изделий из железоуглеродистых сплавов существенно увеличивается, что можно объяснить влиянием меди на кинетику и механизм фазовых превращений, протекающих в железоуглеродистых сплавах при нагреве лазерным лучом и последующем охлаждении. Причем, как это было установлено, упрочнение происходит как в сплавах с низким содержанием углерода (сталях), так и с высоким содержанием (чугунах). При этом какого-либо влияния величин содержания углерода в сплаве на результат упрочнения в настоящее время не установлено.

Введение флюса в светопоглощающее покрытие необходимо для обеспечения равномерного распределения расплавленной меди по обрабатываемой поверхности. Если флюс не вводить, то вследствие сил поверхностного натяжения и плохой смачиваемости расплавленной медью поверхности железоуглеродистых сплавов, медь образует капли на поверхности, что в результате приводит к существенной неоднородности получаемых прочностных свойств поверхностей обрабатываемых изделий.

Удаление остатков нанесенного покрытия после обработки лазерным лучом и охлаждения необходимо, чтобы освободить упрочненную поверхность от меди, имеющей низкие прочностные характеристики.

Сущность заявляемого способа поясняется примером его реализации.

Пример. В общем случае способ поверхностной упрочняющей обработки железоуглеродистых сплавов реализуется следующим образом.

Лазерная обработка осуществлялась на установке, состоящей из непрерывного газоразрядного CO₂-лазера мощностью 6 кВт, фокусирующей системы и специальной оснастки, обеспечивающей сканирование луча по обрабатываемой поверхности. Распределение интенсивности по сечению луча было достаточно однородным в центральной части луча с небольшим снижением интенсивности к периферии. Для фокусировки лазерного излучения на обрабатываемой поверхности использовалась соляная линза с фокусным расстоянием 110 см. В качестве обрабатываемого изделия использовалась пластина из серого чугуна размером 100х200х10 мм. На поверхность чугуна кисточкой наносилось светопоглощающее покрытие следующего состава, об.%:

Паста марки МСЦ-510 - 25 - 35

Флюс типа Ф-34А - 3 - 6

Порошок меди с размером зерна 40-80 мкм - 50 - 65

При этом в качестве светопоглощающего материала и флюса могут быть использованы и любые другие из числа известных, а их процентное содержание определяется из условия выполнения ими своих функций (поглощение света, обеспечение смачиваемости обрабатываемой поверхности расплавом меди) и достаточно жидкой консистенции, обеспечивающей легкость нанесения покрытия и равномерность распределения порошка меди по поверхности.

Толщина слоя меди, наносимого на обрабатываемую поверхность, составляла 100 - 150 мкм. Мощность лазерного излучения при обработке поддерживалась постоянной и равной 5,5 кВт, а интенсивность излучения подбиралась такой, чтобы толщина оплавленного слоя на поверхности была небольшой и соответственно перемешивание чугуна и меди в расплаве было незначительным. При указанной мощности луча это достигалось при пятне фокусировки, равном примерно 8 мм, и скорости сканирования луча по обрабатываемой поверхности 40 см/мин.

После лазерной обработки проводилось удаление поверхностного слоя меди. Удаление может осуществляться любым из известных методов - фрезерованием, строганием, химическим травлением и т.д.

После удаления меди измерялось микротвердость обрабатываемой поверхности на приборе ПМТ-3.

Результаты измерений показали, что если микротвердость исходного образца до обработки по предлагаемому способу составляла 4700-5400 МПа, то после обработки 10000 - 20000 МПа.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет существенно повысить поверхностное упрочнение обрабатываемых изделий из железоуглеродистых сплавов.