Способ упрочнения стальных изделий

СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ по авт. св. N 1682403, отличающийся тем, что, с целью повышения качества изделий за счет увеличения микротвердости упрочненного слоя, предварительно перед многократным нагревом поверхностного слоя импульсами сильноточного электронного пучка его нагревают непрерывным электронным пучком с плотностью мощности q, равной

где v скорость движения электронного пучка;
d диаметр пучка;
H заданная толщина оплавленного поверхностного слоя;
,C,T_пли L плотность, теплоемкость, температура плавления и удельная теплота плавления обрабатываемой стали соответственно.

Изобретение относится к термической обработке поверхности конструкционных материалов и изделий из них высококонцентрированными потоками энергии и является усовершенствованием известного способа упрочнения стальных изделий.
Известный способ заключается в том, что поверхность изделий многократно нагревают до температуры закалки импульсами сильноточного электронного пучка с параметрами:
длительность импульса (0,5-3)^.10^-6 с;
энергия электронов 10-50 кэВ;
плотность энергии 2-5 Дж/см².
Число импульсов N 150-300, а интервал между ними выбирается не менее значения
_o , (1) где q плотность энергии пучка, Дж/см²;
, c, a соответственно плотность в кг/см³, удельная теплоемкость, Дж/кг^.К, и коэффициент температуропроводности стали, см²/с;
Т_о исходная температура изделия, ^оС;
Т₁ температура отпуска стали, ^оС.
Недостатком этого способа является то, что максимальные значения микротвердости в зависимости от марки стали не превышают 1400-1700 кг/мм², что ограничивает ее возможности.
Целью изобретения является улучшение качества изделий за счет повышения микротвердости упрочненного слоя.
Для этого в известном способе по авт.св. N 1682403, предварительно перед многократным нагревом поверхности слоя импульсами сильноточного электронного пучка его нагревают непрерывным электронным пучком с плотностью мощности, равной
q H(CT_пл+L), (2) где V скорость движения электронного пучка;
d его диаметр;
H заданная толщина оплавленного поверхностного слоя;
Т_пл и L температура плавления и удельная теплота плавления обрабатываемой стали соответственно.
Основным фактором, определяющим увеличение микротвердости, является волна напряжений, которая распространяется от облученной поверхности вглубь изделия. Источник возбуждения волны напряжений эффект термоупругости, вызванный быстрым расширением поверхностного слоя, разогретого до высоких температур при облучении материала сильноточным электронным пучком. Взаимодействие волны напряжений с кристаллической решеткой материала мишени приводит к повышению плотности дефектов в области ее распространения. Многократное нагружение поверхностных слоев волной напряжений при увеличении числа импульсов облучения обеспечивает эффект накопления дефектов и, соответственно, рост степени упрочнения зоны (повышение микротвердости). При числе импульсов 150-300 и параметрах сильноточного электронного пучка, указанных в основном изобретении, достигается максимально возможная плотность дефектов для заданного сорта стали и, соответственно, высокая микротвердость.
Предварительная обработка поверхностного слоя стального изделия непрерывным электронным пучком приводит к расплавлению поверхностного слоя на заданную глубину и последующему его резкому охлаждению (закалке из жидкого состояния). В результате в поверхностном слое формируется очень дисперсная структура закалки, которая обеспечивает, например, для поверхности стали У7А микротвердость Н 1080 кг/мм² (табл.), что на 400 кг/мм² выше микротвердости стали, закаленной традиционным способом, и в несколько раз больше, чем микротвердость стали в состоянии поставки ( 200 кг/мм²).
Плотность мощности q, необходимую для плавления поверхностного слоя заданной глубины непрерывным электронным пучком, определяют следующим образом.
При перемещении по поверхности бесконечной металлической пластины электронного луча связь между его параметрами и геометрическими размерами расплавленной зоны можно найти из соотношения [2]
_тQd=( B²/4)H (CT_пл+L), (3) где Q I U _U/V погонная энергия;
I ток пучка;
U ускоряющее напряжение;
V скорость перемещения луча;
_u эффективный КПД процесса обработки, _{U 1}/ ₂;
₁ энергия, введенная в поверхностные слои мишени;
₂ энергия, подводимая к поверхности мишени;
d диаметр электронного луча;
В ширина оплавленного поверхностного слоя;
Н заданная толщина оплавленного поверхностного слоя;
Т_пл температура плавления обрабатываемого материала;
L удельная теплота плавления обрабатываемого материала;
С теплоемкость обрабатываемого материала;
_т термический КПД процесса обработки, _{т 3}/ ₁;
₃ часть введенной в материал энергии, израсходованная на его плавление.
Выражение (3), полученное для любых концентрированных потоков безотносительно условий теплового режима в зоне обработки может быть записано в более простом виде, исходя из условий поверхностной закалки сталей из расплава. Так, например, скорости охлаждения V_o (10⁴-10⁵) К/с, необходимые для формирования высокопрочных слоев при закалке из жидкой фазы, обеспечиваются в случае, если толщина расплавленного слоя не превышает 500 мкм. Наши эксперименты показали, что при этом величина В практически не отличается от величины диаметра электронного луча d. Известно также [2] что максимальное теоретическое значение _Т 0,484, а его экспериментально измеренные значения для электронных пучков находятся в пределах _Т (0,43-0,52). Величину ₄ для электронных пучков считают равной единице.
Таким образом, принимая В d, _T 0,5, _U 1 и подставляя их значения в (3) получаем
q H (CT_пл+L).
Дальнейший нагрев поверхности до температуры закалки импульсами сильноточного пучка (условия нагрева выбраны в соответствии с (1) приводит к дальнейшему повышению качества поверхности: значения микротвердости увеличиваются для стали У7А с 1080 до 1850 кг/мм², а для стали ШХ15 с 1220 до 1920 кг/мм² (табл.).
Возрастание микротвердости обусловлено тем, что многократное нагружение волной напряжения закаленного из расплава поверхностного слоя, обладающего очень дисперсной структурой, приводит к существенному накоплению дефектов, возможно, изменение химического состава приграничных зон и в результате к повышению микротвердости (таблица).
П р и м е р 1. Образцы изделий из стали У7А после термической закалки и отпуска помещали в камеру электронно-лучевой установки, где их поверхность облучали непрерывным электронным пучком. Заданная толщина оплавленного слоя составляла 180 мкм. Для получения такой толщины оплавленного слоя в соответствии с выражением (2) были выбраны следующие параметры электронного пучка: ускоряющее напряжение U 35 кВ, ток пучка I 80 мА, диаметр пучка на поверхности образца d 3 мм, плотность мощности q 3,8^.10⁴ Вт/см². Скорость перемещения пучка составляла V0,42 м/с. Оплавленный слой имел характерное дендритное строение и четкую границу с исходной структурой. Толщина этого слоя, определенная металлографически, хорошо согласуется с заданной в формуле (2).
После облучения непрерывным электронным пучком образцы переносили в камеру другой электронно-лучевой установки, где их поверхность дополнительно обрабатывали импульсным сильноточным электронным пучком с энергией электронов еU30 кэВ, длительностью импульса _U1 мкс, плотностью энергии в пучке q 3 Дж/см². Интервал между импульсами в соответствии с выражением (1) составлял 10 с, число импульсов N меняли от 20 до 300.
После обработки образцы вынимали из камеры, разрезали в направлении, перпендикулярном поверхности облучения. После шлифовки измеряли микротвердость на поверхности и на различных расстояниях от поверхности с помощью прибора ПМТ-3 при нагрузке 50 г.
За толщину упрочненного слоя принимали расстояние от облучаемой поверхности, где микротвердость максимальна, до места, где микротвердость равна микротвердости до облучения. При обработке образцов одним только непрерывным электронным пучком толщина упрочненного слоя практически равна толщине оплавленного слоя из-за резкой границы зоны расплава с исходной структурой. Последующая дополнительная циклическая обработка импульсным сильноточным электронным пучком приводит к существенному увеличению микротвердости в оплавленном слое и увеличению толщины упрочненного слоя. Результаты такой обработки приведены в таблице: максимальная микротвердость на поверхности H 1850 кг/мм², толщина упрочненного слоя 230 мкм.
П р и м е р 2. Образцы изделий из стали ШХ15 после термической закалки и отпуска помещали в камеру электронно-лучевой установки, где их поверхность облучали непрерывным электронным пучком. Заданная толщина расплавленного слоя составляла 170 мкм. Для получения такой толщины оплавленного слоя в соответствие с выражением (2) были выбраны следующие параметры электронного пучка: U 43 кВ, I 160 мА, d 3 мм. При этих параметрах плотность мощности q 9,8^.10⁴ Вт/см². Скорость перемещения пучка V 1,25 м/с.
После облучения непрерывным электронным пучком поверхность образцов дополнительно обрабатывали импульсным электронным пучком с параметрами eU 30 кэВ, _U 1 мкс, q 3 Дж/см². Интервал между импульсами в соответствии с выражением (1) составлял 12 с. Число импульсов N изменяли от 20 до 200.
Облученные образцы изучали таким же образом, как в примере 1. Получены следующие результаты: максимальная микротвердость на поверхности H 1920 кг/мм², толщина упрочненного слоя 320 мкм.
Таким образом, предложенная в качестве усовершенствования предварительная обработка позволила получать упрочненные слои с микротвердостью на поверхности на 30% выше, чем в основном изобретении, одновременно время обработки сокращено в 2-3 раза за счет сокращения числа импульсов.
Использование: термическая обработка поверхности конструкционных материалов и изделий из них высококонцентрированными потоками энергии. Сущность изобретения: изделие подвергают предварительному перед многократным нагревом поверхностного слоя импульсами сильноточного электронного пучка нагреву непрерывным электронным пучком с плотностью мощности q = (2V/d) H(СТ_пл+L), где V - скорость движения электронного пучка; d - диаметр пучка; H - заданная толщина оплавленного поверхностного слоя; , C, T_пл и L - плотность, теплоемкость, температура плавления и удельная теплота плавления обрабатываемой стали соответственно. 1 табл.