состав для поверхностного лазерного упрочнения деталей из конструкционных сталей

Формула изобретения

Состав для поверхностного лазерного упрочнения деталей из конструкционных сталей, содержащий хром- и борсодержащие компоненты, отличающийся тем, что он дополнительно содержит углерод, а в качестве хром- и борсодержащих компонентов - окись хрома и борный ангидрид, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	8-16
окись хрома	25-35
борный ангидрид	Остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области химико-термической обработки стальных деталей, в частности к лазерному легированию, и может быть использовано для поверхностного упрочнения деталей машин и инструментов, изготовленных из конструкционных сталей и работающих в условиях многократного контактного (статического и динамического) нагружения в машиностроительной, металлообрабатывающей и других отраслях промышленности.

Известен состав [1] для лазерного легирования стальных деталей, состоящий из окиси хрома (Cr ₂О₃), карбида бора (В ₄С) и ферросилиция (FeSi), обеспечивающий высокую степень упрочнения обработанной поверхности за счет повышения поверхностной микротвердости и глубины модифицированного слоя. Недостатком этого состава является неравномерность изменения микротвердости упрочненного слоя по глубине и неоднородность его по площади обработанной поверхности, что приводит к невысоким показателям износостойкости упрочненной поверхности в условиях многократных контактных нагрузок.

Целью изобретения является повышение износостойкости функциональных поверхностей изделий из конструкционных сталей в условиях многоциклового контактного нагружения.

В связи с этим предлагается состав для поверхностного лазерного упрочнения деталей из конструкционных сталей, включающий углерод (С), окись хрома (Cr₂O₃ ), а в качестве борсодержащего вещества - борный ангидрид (В ₂О₃), при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	8...16;
окись хрома	25...35;
борный ангидрид	- остальное

Компоненты в составе выполняют следующие функции.

Борный ангидрид (В₂ О₃) является основным упрочняющим компонентом и представляет собой порошок белого цвета с температурой плавления 450...470°С. В условиях лазерной обработки борный ангидрид взаимодействует с железом и хромом (из матрицы основы и окиси, входящей в заявляемый состав) с образованием соответствующих боридов, обладающих высокой объемной прочностью и твердостью.

Окись хрома (Cr₂О₃ ) представляет собой мелкодисперсный ( >20 мкм) порошок зеленого цвета, имеющий температуру плавления 2300°С, кристаллизующийся в гексагональной решетке. Взаимодействуя при высоких температурах с бором, хром образует прочные и твердые бориды, которые в то же время значительно повышают трещиностойкость. Содержание окиси хрома менее 25% приводит к интенсивному трещинообразованию в процессе динамического нагружения упрочненных поверхностей, что объясняется большой долей образовывающихся весьма хрупких боридов железа. Содержание окиси хрома более 35% приводит к значительному снижению степени упрочнения ввиду существенного уменьшения концентрации борного ангидрида.

Углерод (С) вводится в состав обмазки в виде мелкодисперсной фракции ( >20 мкм) порошка черного цвета (графита) с целью повышения твердости и прочности получаемого покрытия за счет образования карбидов хрома, а также для стабилизации глубины упрочнения по всей площади обрабатываемой поверхности, что достигается повышением поглощающей способности обмазки и, как следствие, более равномерным распределением энергии по пятну лазерного воздействия в процессе упрочнения. Содержание углерода менее 8% не сказывается на эффективности упрочнения, что объясняется недостаточной его концентрацией для интенсификации процессов образования карбидов хрома. Содержание углерода свыше 16% приводит к интенсивному выгоранию состава обмазки при воздействии лазерного излучения.

Указанные свойства компонентов, вводимых в состав обмазки в предлагаемом соотношении, обеспечивают получение при лазерной обработке на поверхности конструкционной стали упрочненного слоя с высокой износостойкостью в условиях многократных динамических нагрузок.

Для экспериментальной проверки предлагаемого состава подготавливались 6 смесей ингредиентов, три из которых показали оптимальные результаты. В качестве объектов исследований использовались призмы опорные технологической оснастки (7033-0035 по ГОСТ 12195-66, сталь 45 (HRCэ 50...55)), рабочие поверхности которых предварительно обрабатывались до Ra=2,5 мкм. Компоненты составов смешивались, разбавлялись связующим веществом и наносились пневмораспылением на рабочие поверхности призм. Толщина наносимой обмазки составляла 100...120 мкм.

Модифицирование проводили на технологической лазерной установке «Квант-18М», работающей в импульсном режиме, при плотности излучения q=7 Дж/мм², длительности импульса =8 мс, коэффициенте перекрытия пятна лазерного излучения - 0,5.

Поверхностная микротвердость определялась на микротвердомере ПМТ-3У при нагрузке 0,5 Н. Для выявления глубины упрочнения изготавливались шлифы обработанных образцов, осуществлялось их травление (5...10 с) в 5%-ном растворе азотной кислоты. Глубина упрочнения определялась шириной «белого» нетравящегося слоя.

Для определения износостойкости упрочненных поверхностей использовалась специальная установка многоциклового контактного нагружения: нормально к упрочненной поверхности циклически через цилиндрический образец ( 20 мм, Ra=6,3 мкм) прикладывалась нагрузка 2500 Н. После заданного числа циклов нагружения абсолютный износ (в направлении, нормальном исследуемой поверхности) определялся по профилограммам на автоматизированном измерительном комплексе на базе профилографа-профилометра модели 170311 (завод «Калибр»). Измерения проводились трехкратно.

Результаты исследований приведены в таблице.

Содержание углерода менее 8% (таблица, вар.2) слабо влияет на эффект упрочнения, так как его концентрация в зоне лазерного воздействия не достаточна для активизации процессов образования карбидов хрома, а увеличение содержания углерода свыше 16% приводит к интенсивному выгоранию обмазки и, как следствие, к крайне неравномерному изменению глубины упрочненного слоя - от 120 до 200 мкм (таблица, вар.6).

Таблица Результаты упрочнения стальных образцов
№ п/п	Компоненты	Содержание в обмазке, масс.%	Свойства упрочненного слоя
			Микротвердость, HV	Максимальная глубина упрочнения, мкм	Величина износа (мкм) при числе циклов нагружения
					10000	30000	50000
1.	Окись хрома	25	2000	280	7	16	37
	Ферросилиций	10
	Карбид бора (известный)	65
2.	Борный ангидрид	76	1800	180	8	(15)**	(34)**
	Окись хрома	20
	Углерод	4
3.	Борный ангидрид	67	1850	230	6	15	29
	Окись хрома	25
	Углерод	8
4.	Борный ангидрид	58	2010	250	5	12	27
	Окись хрома	30
	Углерод	12
5.	Борный ангидрид	49	1950	240	6	12	30
	Окись хрома	35
	Углерод	16
6.	Борный ангидрид	40	1650	200*	8	20	38
	Окись хрома	40
	Углерод	20
Примечания: * - изменение глубины легирования неоднородно, в пределах обработанной поверхности;
** - наличие трещин в зоне контакта «упрочненная поверхность - индентор».

Увеличение содержания окиси хрома свыше 35% приводит к преобладанию процесса хромирования, что несколько снижает поверхностную твердость (таблица, вар.6). Уменьшение содержания окиси хрома ниже 25% сопровождается интенсификацией процесса борирования с образованием прочных, но хрупких боридов железа, что является причиной появления сетки трещин при многоцикловом нагружении (таблица, вар.2).

Приведенные в таблице данные показывают, что использование предлагаемого состава позволяет при сохранении степени упрочнения поверхностного слоя повысить износостойкость образцов из конструкционных сталей на 30...35%, что обеспечивает увеличение срока эксплуатации деталей в условиях действия многоцикловых контактных нагрузок.

Источники информации

1. А.с. 1607433 СССР, МКИ С23С 12/02. Состав для борохромирования стальных деталей при лазерном нагреве.