способ обработки изделий из металлов и сплавов

Формула изобретения

СПОСОБ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ, включающий нагрев до заданной температуры с одновременным наложением ультразвуковых колебаний и охлаждение, отличающийся тем, что нагрев ведут источником с высокой плотностью энергии до температур, не превышающих Ac₁.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к обработке металлов и их сплавов с помощью концентрированных источников энергии.

Известен способ подготовки функциональных слоев (авторское свидетельство ЧССР N 238436, кл. C 21 D 1/09), заключающийся в нагреве поверхности изделий, изготовленных из металлов и их сплавов до температуры аустенизации источником с высокой плотностью энергии с одновременным воздействием на изделие ультразвуковых колебаний в диапазоне 15-213 кГц в непрерывном или импульсном режиме. Целью этого изобретения является повышение твердости.

К существенным недостаткам этого способа относится то, что повышение твердости осуществляется только за счет нагрева до температуры аустенизации, хотя известно, что для ряда материалов повышение твердости достигается и при более низких температурах, например, в процессе отпуска и старения.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ термообработки высокоуглеродистых, преимущественно подшипниковых сталей, включающий в себя нагрев до температуры в интервале А_С1-А_СТ с одновременным наложением ультразвуковых колебаний [1]. В данном способе также предусматривается наложение ультразвуковых колебаний в процессе выдержки или охлаждения при температуре на 20-30^оС ниже А_С1. В результате предлагаемой обработки ускоряется сфероидизация карбидов.

Недостатком такого способа является то, что для осуществления сфероидизации карбидов предлагается нагрев только до температур на 20-30^оС ниже А_С1, хотя в ряде сплавов сфероидизация карбидов может происходить и при более низких температурах. Основным недостатком данного способа является существенная продолжительность процесса обработки, связанная с невысокими скоростями нагрева и охлаждения, а также выдержкой при температуре нагрева.

Цель изобретения состоит в сокращении длительности структурно-фазовых превращений, протекающих в металлах и их сплавах при нагреве до температур ниже температуры аустенизации.

Это достигается тем, что в способе обработки изделий из металлов и их сплавов, включающем нагрев поверхности изделий ниже температуры аустенизации с одновременным воздействием ультразвуковыми колебаниями, нагрев осуществляют источником с высокой плотностью энергии, например, лучом лазера.

Для предлагаемого технического решения и его признаков характерно следующее отличительное свойство. Наложение на металлы и их сплавы ультразвуковых колебаний и одновременный нагрев их источником с высокой плотностью энергии в интервале температур, не превышающем температуру аустенизации, приводит к формированию в объеме особого напряженного состояния, характеризующегося интенсивными процессами размножения, взаимодействия и движения дислокаций, и других дефектов кристаллического строения. В результате этого, несмотря на относительно невысокий нагрев, структурно-фазовые превращения, процессы типа диффузии и рекристаллизации, требующие для своего развития термической активации, резко ускоряются и протекают за очень малое время.

Для технических свойств аналога и прототипа также характерна возможность протекания структурно-фазовых превращения, но при более высокой температуре (выше температуры аустенизации) для первого способа и с большей длительностью для последнего.

Вышеупомянутые свойства не совпадают, поэтому заявленное техническое решение соответствует критерию охраноспособности "изобретательский уровень".

Предлагаемый способ лазерно-ультразвуковой обработки реализован следующим образом.

В образец из высокохромистого чугуна ИЧХ16НМФТЛ, используя непосредственный акустический контакт колебательной системы с образцом, вводились ультразвуковые колебания с частотой 45,8 кГц и амплитудой 7 мм. Одновременно поверхность образца нагревалась лучом непрерывного СО₂-лазера ЛГН-702 с мощностью излучения 550 Вт до температуры 700^оС. Данная температура характеризуется тем, что она ниже температуры аустенизации, но достаточная для выделения из пересыщенного аустенита высокохромистого чугуна дисперсных карбидов типа (Cr, Fe)₇C₃.

Эффективность предлагаемого способа оценивалась по интенсивности процесса выделения дисперсных карбидов в высокохромистом чугуне и по времени, затрачиваемому на проведение обработки.

Рентгено-структурный фазовый анализ показал, что в высокохромистом чугуне после лазерно-ультразвуковой обработки количество карбидной фазы (Cr, Fe)₇C₃ возросло на 5,8%. Длительность обработки для каждой точки на поверхности образца, включая нагрев и охлаждение, не превышала 2 с. Для сравнения проводилась обработка образцов из высокохромистого чугуна в печи ПМ-8, которая включала в себя нагрев до 700^оС, выдержку и охлаждение на воздухе. Эксперименты показали, что для достижения аналогичного результата (прироста карбидной фазы (Cr, Fe)₇C₃ на 5,8%) требуются значительные выдержки при температуре нагрева, вследствие чего полностью термообработка осуществляется не менее чем за 4,5 ч. В случае нагрева с применением индукционной печи, введения в образец ультразвуковых колебаний и охлаждения сжатым воздухом (обработка по способу-прототипу [1]) длительность термообработки колеблется в пределах 50-135 мин, что на 3-4 порядка больше по сравнению с длительностью обработки по предлагаемому способу.

Эффективность лазерно-ультразвуковой обработки подтверждается также и вторым экспериментом.

В образец из высокохромистого чугуна ИЧХ16НМФТЛ, предварительно закаленный от 980^оС в масло, вводились ультразвуковые колебания с частотой 45,8 кГц и амплитудой 7 мкм. Одновременно поверхность образца нагревалась лучом непрерывного СО₂-лазера ЛГН-702 с мощностью излучения 550 Вт до температуры 500^оС. В данном эксперименте оценивались интенсивность процесса распада остаточного метастабильного аустенита, появившегося в чугуне после закалки в масло, и время, затрачиваемое на проведение обработки.

Рентгено-структурный фазовый анализ (метод гомологических пар) показал, что в чугуне после обработки по предлагаемому способу количество остаточного аустенита снизилось с 32,6 до 12,8%. При этом длительность обработки для каждой точки на поверхности образца, включая нагрев и охлаждение, находилась в пределах 2 с.

Для сравнения проводилась обработка образцов из той же марки чугуна в печи ПМ-8. Установлено, что при печном нагреве, выдержке при 500^оС и охлаждении на воздухе для распада остаточного аустенита с 32,6 до 12-13% требуется не менее 3,2 ч. При обработке же по способу-прототипу, включающему в себя нагрев в индукционной печи, наложение на образец ультразвуковых колебаний и охлаждение сжатым воздухом, длительность обработки может быть снижена до 50 мин, что также значительно больше по сравнению с длительностью обработки по предлагаемому способу.

Сокращение длительности процессов, протекающих в чугуне при обработке по предлагаемому способу, можно объяснить следующим.

При одновременном воздействии на образец ультразвуковых колебаний и лазерного излучения в зоне комбинированного воздействия формируется особое напряженное состояние, характеризующееся интенсивными процессами эволюции дислокационной подсистемы материала. Это, как известно, приводит к ускорению всех процессов (диффузии, рекристаллизации и т.п.), которые для своего развития требуют термической активации.