Способ лазерного легирования поверхности металла

(% Ш 7193 8/О АН ТЕНИ АВТОРСН ра окружающеи к технологик упрочненименением темперасреды;толщинарытия;теплотаучом ламощност гирующего и лавления ЛЭ;ра осуществлялазерного изл повышеви изполнос" о эле" переме 1 л а обработк с плотност чения лазер рмуле оводност температуропЛЭ;плотность ЛЗтеплоемкосттемператураи матрицы,ЛЗ;лавления Л ТТ пл о ф аале ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОЧМРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР СВИДЕТЕЛЬСТВУ(54) СПОСОБ ЛАЗЕРНОГО ЛЕГИРОВАНИЯПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛА(57) Изобретение относится к лазерному легированию поверхности металлови может быть использовано в машиностроении, Целью изобретения лвллетсл Изобретение относится машиностроения, а именно поверхности металла с при излучения лазера,Целью изобретения является ние качества упроцненных слое носостойкости путем внедрения тью расплавленного легирующег мента (ЛЭ) и равномерного его шивания,с материалом матрицы Расчет плотности мощности го излучения производят по фо ВаГлас л(тпл.л То )+1 л.3 чрсч Ьповышение кац и износостойк ,полностью рас элемента и оа вания с матер ность обрабат тугоплавкий э ботку лучом л производят ра лазерного иэл веденной в те поверхность м цом ла эера с с 1 ,сс 1 с 510 сйизить скоро за, 1 табл. ества упрочненных слоев ости за счет внедрения плавленного легирующего вномерного его перемешииалом матрицы. На поверхываемой детали наносят лемент и проводят обра" азера, причем сначала счет плотности мощности учения по Формуле, при" ксте описания, а затем еталла обрабатывают лу" плотностью с 1 мощности Вт/см . Это позволяет сть изнашивания в 2-3 рас 1 ,( с 1 ( 510 Вт/смЕсли это неравенство не выполняет ся, то есть с 1 с с 1 , то тогда больша часть легирующего вещества внедряетс в виде твердых частиц, что приводит к снижению износостойкости иэ-за выкрашивания этих частиц, плохо сцепленных с материалом матрицы. Если же с 1 ) 5 л 10 Вт/см , то происходит интен сивное испарение обмаэки и материала матрицы, что приводит к резкому ухуд шению качества упрочненных слоев иснижению иэносостой кости и з- за нарушения геометрии поверхности и отсутствия легированных зон.Предлагаемый способ обеспечиваетвысокое качество упроцненных слоев,так как при выполнении неравенства взоне легирования гарантировано образование твердого раствора,ЛЭ в мате"риале матрицы, что влияет на равномерность распределения микротвердости и повышение иэносостойкости дета"лей.Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.15На поверхность металла наносят ЛЭ.Наилучшие результаты достигаются пригальваническом напылении или конденсацией в вакууме. Толщина нанесенного покрытия должна составлять " 5080 мкм. Это диктуется требованиямик концентрации ЛЭ в зоне легирования,с одной стороны, и временем нанесенияэтих покрытии, с другой. хорошие ре"эультаты достигаются также при нанесении ЛЭ в виде обмазки со связующим.Далее рассчитывают плотность мощности лазерного излучения ц , дляданного соотношения параметров ЛЭ иматрицы и проводят обработку с плотностью мощности лазерного излученияЧс Ч 510 Вт/см . Причем обработку можно проводить с использованиемкак импульсного, так и непрерывноголазера,Предлагаемый способ опробован наобразцах из Ре, Сц, А 1. В качественасыщающего ЛЭ использовали И и Сг.Осуществимость и преимущества предлагаемого способа можно проследитьна конкретных примерах.П р и м е р 1. На поверхностьармко-железа наносили порошок вольфрама, в качестве связующего .использевали 503-ный раствор клея Бфв ацето. не, дисперсность порошка не превышала 20 мкм, толщина покрытия 80 мкм.Затем рассчитывали значение плотностимощности ц ,ц по формуле, приведеннойвыше,результаты расчетов и анализ ре-, 50зультатов обработки приведены в таблице,Первоначально обработку проводилис плотностью мощности лазерного излучения 1 = 2,710 , цто больше 1,о.В этом случае распределение микротвердости носит равномерный характер и достигает 15000 МПа, При обработке с плотностью мощности 1 = 2 10 Вт/см, что меньше Ч , наблюдается уменьше-ние глубины зоны легирования, снижение среднего значения микротвердости до 8000 МПа, в зоне переплава имеются твердые включения глобулярной формы,Обработка при ц = 5,5 10 Вт/см приводит к интенсивному испарению ЛЭ и материала матрицы, нарушается геометрия поверхности, легирование не происходит.П р и м е р 2. На поверхность меди наносили обмазку, содержащую порошок хрома, толщиной 80 мкм. Рассчитывали значение плотности мощности по формуле, приведенной выше. Затем проводили обработку поверхности лучом лазера с плотностью мощности ц = 4,7 х10 Вт/см, что больше с 1 .Зона легирования характеризуется равномерным распределением ЛЭ и микро" твердости, достигающей 10000 МПа. При обработке с 1 = 410 Вт/см, что меньше Чрасч наблюдается уменьшение глубины зоны плавления, снижение среднего значения микротвердости, появление твердых частиц, снижающих износостойкость.Обработка при с 1 = 5,510 Вт/см приводит к нарушению геометрии поверхности, зона легирования не образуется иэ-за испарения ЛЭ и материала матрицы.П р и м е р 3. На поверхность алюминия наносили обмазку, содержащую порошок хрома, толщиной 80 мкм. Рассчитывали значение плотности мощности лазерного излучения по приведенной ра" нее формуле. Затем проводили обработ" ку лазерным излучением с плотностью мощности 1 = 8510 Вт/см, что больше с 1.Зона легирования в этом случае имеет равномерное распределение ЛЭ и микротвердости, достигающей 10000 МПа . При обработке с плотностью мощности 1 = 810 Вт/см , что меньше расчетно" го знацения ц, наблюдается уменьшение размеров зоны легирования, снижение среднего значения микротвердости и появление твердых включений глубулярной Формы, снижающих износостойкостьОбработка с плотностью мощности Ч = 5,510 Вт/см приводит к интен" сивному испарению ЛЭ и материала мат"93 6тугоплавкого элемента с температурой плавления больше температуры плавле" ния матрицы и последующую обработку лучом лазера, о т л и ч а ю щ и й " с я тем, что, с целью повышения качества упрочненных слоев и износостойкости деталей за счет внедрения пол" ностью расплавленного легирующего элемента и равномерного его перемешивания с материалом матрицы, обработ" ку лучом лазера ведут с плотностью мощности лазерного излучения, определяемой по соотношениям:Ч осС Ч С 5 т 10 Вт/СМ 2,Вал 1)АС (т-т, )+1,ШФ Шрасч Ь1 птпл.л 1 П пл,мгде а - температуропроводностьлегирующего элемента(ЛЭ);1)л " плотност 1 ЛЭ;Сл - теплоемкость ЛЭ;Т,Тп - температуры плавленияЛЭ и матрицы,Т, - температура окружающейсреды;Ь - толщина легирующего пок"рытия;1 А - теплота плавления ЛЭ. 15511 Скоростьабразивногоизнашиваниямгlмин Иикротвердость1 ОО (МПа) Плотность мощности лазерного излучения От/смз К примера и цани тел 1 ро 2,58 10 2,7 10б) еление ЛЗ вооо Иатериал основы Р 1,5 10 180 в) 5 10 4000 (протзтип)а а) 4,7 10 1 ООО Легирующий 3400элемент1,о 5 834 4,5 о,7 2 Иатериал основы Сч о 1,35 б) 3,51 в) 5 1 а 1400(прототип)а) 8,5 1 О 1000 1,35 Лег,и р ующийэлемент СгНатериал основы А 1 о,7 22 10б) В 10 о 4 о вб в) 1,3 Легирующий элемент .Сг Остальные числовые Пер, с англ, Под р чеки проф параметров, входящих в формулу, С,Г, Глазунова. Н,. Металлургия рицы, при этом нарушаетсп геометрия поверхности а легирование не происходит.Сравнительные данные приведены в таблице.Из приведенных примеров видно, что при обработке поверхности металла по режимам, предложенным в прототипе, а именно с плотностью мощности с( =10 - 1 О Вт/смф, нередко формируют"5 6ся некачественные легированные слои (см. примеры 1 б, 2 б, 3 б), та к ка к обработка проводится без учета физи" ческих свойств металла и ЛЭ. В то же время легирование металла по предлагаемому способу с плотностью мощнос" ти лазерного излучения в интервале ч(барс с)5 10 Вт/см позволяет получать легированные слои с гарантирован ным образованием твердого раствора ЛЭ в материале матрицы, с равномерным распределением ЛЭ и микротвердости, при этом наблюдается снижение скорости абразивного изнашивания в 2-3 ра" 25 за. формула изобретения Способ лазерного легирования повер хности металла, включающий нанесение на поверхность обрабатываемой детали Равномерное распред и микротвердостиСтруктура зоны легировамия имеет твердые включения глобулярного ви" да, наблюдается уменьшение зоны переплаваНарушение геометрии по т неравномерное распреде р твердостиРавномерное распределение микро твердости по всей зонеОтдельные твердые включения глобулярного вида, уменьшение в приво. дит к уменьшению зоны легирования вплоть до полного, исчезновения Нет легирования, наблюдается нарушение геометрии поверхности Равномерное распределение микро" твердости по всей зоне Отдельные твердые включения глобулярного, вида, уменьшение 1 приво"дит к уменьшению эоны легированмявплоть до полного исчезновенияНет легмрования наблюдается нару"шенме геометрии поверхности,рались в справочнике: Смитлэ К, Д1980.