способ поверхностного упрочнения металлов

Формула изобретения

1. Способ поверхностного упрочнения металлов путем изменения уровня теплового воздействия на обрабатываемую поверхность, включающий локальную закалку сканирующим лазерным лучом, отличающийся тем, что производят поляризацию лазерного луча в полосу с переменной интенсивностью излучения в пределах пятна воздействия на обрабатываемую поверхность и сканируют с фиксированной скоростью, обеспечивающей последовательную изотермическую выдержку обрабатываемого участка на различных температурных уровнях, при этом степень поляризации устанавливают согласно принятым условиям теплового воздействия при указанной скорости сканирования, а изменение температуры осуществляют с оптимальными для упрочняемого металла скоростями.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость сканирования назначают экспериментально по величине микротвердости в упрочненных слоях металла, соответствующей заданному структурному состоянию.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для поверхностного упрочнения металлов при обработке источниками с высокой концентрацией энергии.

Известен способ поверхностной закалки металлов лучом лазера [1], при котором режим обработки регулируют изменением энергии импульса, длительности его и диаметра пятна, считая, что распределение энергии по пятну близко к равномерному.

Недостатками его следует считать невозможность одновременно реализовать различные стадии теплового воздействия (отжига, закалки и отпуска) в условиях однократного облучения поверхности, сложность взаимоувязки механических характеристик образующихся структур с режимами обработки.

Известен также способ поверхностного упрочнения металлов лазерным лучом путем изменения уровня термического воздействия на обрабатываемую поверхность с переменной отражательной способностью [2].

Недостатками данного способа являются сложность обработки конфигурированных поверхностей и необходимость обеспечения технологического сочетания характеристик красителя с режимами упрочнения.

Задача изобретения - улучшение качества упрочненной поверхности и повышение технологичности обработки.

Технический результат - повышение прочностных характеристик упрочненной поверхности и повышение производительности обработки.

Это достигается тем, что в способе поверхностного упрочнения металлов путем изменения уровня теплового воздействия на обрабатываемую поверхность, включающем локальную закалку сканирующим лазерным лучом, производят поляризацию лазерного луча в полосу с переменной интенсивностью излучения и сканируют вдоль этой полосы, при этом степень поляризации устанавливают согласно принятым условиям теплового воздействия с учетом фиксированной скорости сканирования и последовательно реализуют стадии изотермической выдержки обрабатываемого участка на различных температурных уровнях, а изменение температуры осуществляют с оптимальными для упрочняемого металла скоростями. При этом скорость сканирования назначают экспериментально по величине заданной микротвердости в упрочненных слоях металла, соответствующей закалочному состоянию.

Действительно, согласно закону Малюса, при поляризации лазерного луча удается добиться разной интенсивности светового потока, что обусловливает соответствующее изменение в плотности подводимой энергии по пятну воздействия. При перемещении (сканировании) плоскополяризованного источника световой энергии (лазерного луча) в пределах пятна воздействия металл претерпевает стадии термического превращения в последовательности, соответствующей принятой схеме обработки. Это позволяет получить несколько структурных состояний обрабатываемого металла за один проход лазерного луча, исключив тем самым необходимость проведения отдельных термических операций (например, отдельно отжига, закалки и отпуска) для тех же целей, и повысить производительность обработки.

Таким образом, параметрами обработки следует считать степень поляризации в локальных зонах лазерного луча и последовательность их расположения, определяющих плотность подводимой энергии, а также скорость сканирования лучом, определяющую температурный градиент на поверхности.

На фиг.1 приведена схема обработки, на фиг.2 - зависимость температуры Т на элементе обрабатываемой поверхности от времени t.

Способ осуществляют в следующей последовательности. Определяют область теплового воздействия на обрабатываемой поверхности 1 (фиг.1). Затем на нее фокусируют поляризованный луч лазера 2 в виде сплошной полосы. Степень поляризации Р в пределах пятна воздействия лазерного луча устанавливают согласно принятым условиям теплового воздействия: для достижения максимальной температуры нагрева поверхности при фиксированной скорости V сканирования луча степень поляризации Р приближается к нулю; для минимизации температурного воздействия в тех же условиях Р=1 (плоскополяризованное состояние). Скорость сканирования V назначают эмпирически; критерием при этом может служить величина заданной микротвердости в упрочненных слоях металла, соответствующая закалочному состоянию. Это позволяет производить упрочнение металлов в сыром или отожженном состоянии, при обеспечении характеристик металла, формируемых при объемной закалке. Вследствие различия в интенсивности светового потока по длине луча при заданной скорости его перемещения, в пределах пятна воздействия 3 возникает температурный градиент 4 и в металле последовательно реализуются стадии отжига, закалки и отпуска. Это способствует формированию требуемой микроструктуры (понижает содержание остаточного аустенита), повышает микротвердость и упрощает технологию обработки, в результате которой отпадает необходимость в предварительной подготовке поверхности (отжиге) и последующем отпуске до регламентированной твердости (микротвердости).

Пример. Производят локальное воздействие непрерывным лазерным лучом на поверхность стали 8Х6НФТ при плотности подводимой энергии лазерного луча 1.8 Дж/мм², скорости сканирования 42.3 мм/с при поляризации луча в полосу длиной 5.0 мм и шириной 0.1 мм со степенью поляризации в направлении сканирования 0.78, 0.44, 0.92 в равных долях от длины пятна воздействия. Коэффициент прироста микротвердости при этом составил 1.52, содержание остаточного аустенита - 16% (при традиционной схеме обработки - 28%). Результаты апробации заявляемого способа приведены в таблице.

Источники информации

1. Сафонов А.Н., Тарасенко В.М., Скоромник В.И. Лазерное термоупрочнение режущего инструмента: Обзорн. информ. - М.: ВНИПИЭИлеспром, 1989. С.52.

2. Зотов Г.А., Памфилов Е.А. Повышение стойкости дереворежущего инструмента. М.: Экология, 1991. С.300.