Состав для лазерного легирования стальных изделий

14 б 8962 Углерод в составе выполняет двоякую функцию, С одной стороны он способствует поглощению лазерной энергии, соответственно, активному разложению диоксида титана и борного ангидрида, с другой стороны приводит кобразованию карбоборидов титана, чтодополнительно повышает микротвердостьи поверхностную прочность, 10При содержании углерода менее 17.такое благоприятное его влияние наактивизацию реакции становится незначительным, Превышение содержания углерода более ЗЕ приводит к интенсивному его выгоранию, и процесс лазерного легирования не осуществляется.Указанные свойства компонентов,вводимых в состав предлагаемой смеси, позволяют получить на поверхности сталей слой с высокой микротвердостью и динамической прочностью.Установлено, что создание слоев,содержащих только в основном нитрид титана, не дает требуемой микротвердости (она достигает 10-12 ГПа).Слои, содержащие карбиды и карбонитриды титана, дают высокую микротвердость (до 25 ГПа), но характеризуются повышенной хрупкостью, причем 30первые даже при статических нагрузках. Бориды и карбобориды железа, полученные в железной или стальной матрице после лазерной обработки, также обладают повышенной хрупкостью,особенно при динамических нагрузках,Известно, что более высокие микро"твердость и прочность пс сравнениюс указанными веществами имеют бориды титана, Карбид бора хотя и имеетвысокую микротвердость, однако хрупок. Исследования по прочности тугоплавких (твердых) соединений показывают, что в условиях равновесного спекания добавка одних соединенийк .другим даже в небольших количест"вах может существенно изменять физико-механические свойства композита.Однако даже в условиях равновесного 50получения веществ невозможно напередпредсказать какие добавки чего к чему приведут к изменению тех или иныхсвойств, В условиях лазерного нагрева плазмохимические реакции .разложения и образования соединений происходят в неравновесных условиях, поэтому получение поверхностного слояс заданными эксплуатационными свойствами представляет трудную (и долго прорабатываемую) задачу, Непосредственно введение уже готовых таких сверхтвердых материалов как бориды и карбиды титана, карбид бора в железную матрицу (с целью их внедрения) приводит к значительному или даже полному их выгоранию. Поэтому известные составы на базе боридов и карбидов титана, а также карбида бора оказались неприемлемыми для созда" ния после лазерной обработки на поверхности стальных. изделий слоя, обладающего и высокой микротвердостью и высокой динамической поверхностной прочностью.В предлагаемом составе подобрана такая комбинация окислов титана и бора, которая в условиях лазерного нагрева обеспечивает мгновенное расплавление смеси, разложение окислов до атомарного титана и бора, соединение их в бориды титана и внедрение в стальную матрицу, Введение в предлагаемый состав также дополнительно небольшого количества углерода способствует поглощению световой энергии смесью, восстановлению активных атомов титана и бора и синтезу карбоборидов титана, которые в смеси с боридами титана обеспечивают получаемому поверхностному слою высокие эксплуатационные свойства,П р и м е р. Проводили лазерное легирование поверхности закаленной стали У 8 с помощью предлагаемого состава. Изготавливалась суспензия из порошков компонентов состава и стандартного связующего (507-ный раствор клея Бфв ацетоне), которая пульверизатором наносилась на плоскую поверхность испытуемых образцов.Соотношение порошковой смеси и стандартного связующего (503-ный раствор клея Бфв ацетоне) должно быть 1:5. Это условие диктуется необходимостью равномерного нанесения состава на поверхность. При других связующих соотношение может быть иным.Поскольку связующее в условиях лазерной обработки выгорает раньше, чем начинается плазмохимическая реакция, его влияние на конечный результат значительно меньше, чем содержа" ние компонентов в порошковой смеси состава, Более важным является воп 5 146рос совместимости порошковой смесии связующего - в ряде случаев суспензия или обмазка может сворачиваться.Толщина наносимого слоя составадиктуется необходимостью проплавления продуктов реакции с основным материалом. Для предлагаемого составацелесообразно наносить слой толщиной0,2-0,3 мм. После просушивания поверхности на воздухе (в течение20 мин) проводилась обработка ее лучами лазера на лазерной установке"Квант" с оптическим генераторомимпульсного действия на неодимовомстекле. Режимы лазерной обработкиследующие: энергия облучения Ч= 50 Дж; длительность импульса2 мс; диаметр пятна О = 5 мм; коэффициент перекрытия К = 0,4-0,5. Мик-,ротвердость Н обработанной поверхности измеряли на микротвердомереПМТпри нагрузке 0,5 Н,В порошковой смеси используютсяследующие компоненты:Двуокись титана ТУ 6-09-266-71Борный ангидрид ТУ 6-08-400-78Углерод - графит порошкообразный ГОСТ 17022-81,а в связующем:Клей БФГОСТ 12172-74Ацетон ГОСТ 2603-79Испытания на динамическую поверхностную прочность проводили путемудара по обработанной поверхноститвердосплавным (из карбида вольфрама) коническим индектором с угломОпри вершине 120 при удельной энергии удара= 2 МДж/м (3,4). Критерием высокой динамической поверхностной прочности являлось отсутствие после удара вокруг отпечаткатрещин, наблюдаемых в микроскоп состереоскопическим эффектом МВС при стократном увеличении.Сравнительные данные по микротвердости и динамической поверхностной прочности стали У 8 при использовании известного и предлагаемого составов приведены в таблице,Из приведенных данных следует,что в известном составе оптимальнымявляется содержание диоксида титана603, углерода 40 Х,(пример 1 Ч) Вообще допустимо соотношение: диоксидтитана 60"703, углерод - остальное.Оптимальное содержание компонентов 8962предлагаемого состава обеспечивается в примере 3. Сравнение показывает, что предлагаемый состав обеспе 5чивает высокую динамическую поверхностную грочность (снижение величинь остаточной контактной деформациина 25-407) при одновременном увеличении микротвердости в 1,5-2 раза,Проведено также сравнение предлагаемого состава со сходным, используемым при термодиффузионном боротитанировании,Химико-термическая обработка5 стали У 8 с применением оптимальногосогласно описанию (2), состава боротитаниоования при укаэанных режимахобработки (температура 950 С, времянасыщения 4 ч) дает следующие резуль 20 таты; микротвердость на поверхностидо 5 ГПа, диаметр остаточного отпечатка 728 мкм.Изготавливалась суспензия из порошков известного состава (2) в оп 25 тимальной пропорции компонентов истандартного связующего (503-ныйраствор клея БФв ацетоне) . Соотношение порошковой смеси и связующего бралось 1:5. Суспензия пульвеЗ 0 ризатором наносилась на закаленнуюповерхность стали У 8. Толщина наносимого на поверхность слоя составляладо 0,3 мм. Согласно описанию эа оптимальный принимался порошковый состав смеси при следующем соотношениикомпонентов, мас.7;Борный ангидрид 23,5Диоксид титана 4Окись алюминия 4840 Порошок алюминия 22,5Фтористый натрийСераУсловия лазерной обработки ипроведения испытания были те же, что45 и для предлагаемого состава (энергияоблучения 50 Дж, длительность импульса 2 мс, диаметр пятна 5 мм, коэффициент перекрытия 0,5, удельная энергия удара 2 МДж/м ),. При этом была доЫ стигнута микротвердость лишь всего10,6 ГПа, а диаметр остаточного отпечатка составит 878 мкм, Качествополученной поверхности было в высшейстепени неудовлетворительным (наплы 55 вы, выплески и т.д.)Формула физобретенияСостав для лазерного легированиястальных изделий, преимущественноиз инструментальных сталей, включаю"1468962 ный ангидрид при следующем соотношении компонентов, мас.7.:Диоксид титанаБорный ангидридГрафит 55-6534-421-3 Режим лазерной обработки Микро- Удельная твер- энергия дость удара, ГПа МДж/м При- Состав, мас,7.мер,11/о Диаметротпечатка,мкм атериал Известный (прототип) У 8 Ч=50 Дж кал, =2 мс о=5 ммК=0,5 Н Н Н Н Н Н Н Н Н Н Н Н Н Н Н Н Н Н Н Н Н Н Н Н Н Н Н Н Н 701 629 562 687 Не испыт. 16 23 28 21 Нет тверН Н Н Н дости Составитель Булгач Редактор М,Бандура Техред М.Дидык Корректор О. КравцоваЗаказ 1320/27 Тираж 938 ПодписноеВНИИПО Государственного комитета но изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Рауаская наб., д. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород 1 ул. Гагарина, 101 щий диоксид титана и графит, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения микротвердости и динамической прочности поверхностного слоя изделия, он дополнительно содержит бор Х 0% С+100% Т 1011 207. С + 80% ТО111 307 С + 07. ТО1 Ч 407 С + 607. ТОЧ 607 С + 40% ТОЧ 1 80% С + 20% Т 10Ч 1 100% С + 0% Т 10Предлагаемый1 О, 5 С+ОТОМО +29, 52 Б Оз2 1 С+65 ТО 34 В О3 2 С+60 Т 10+38 В 04 ЗС+55 Т 10, +42 В 05 4 С+60 Т 10+36 ВОз 13,1 14,1 14,8 15,2 13,1 12,2 11,4 756 732 721 707 756 780 805