Состав для лазерного боразотирования

(57) Иэобретной химико-т ЛЯ ЛАЗЕРНОГО БОРАЗОТИ тся к лазе обработке. ие отн мическ зобретени носи ся к мета ной химик гии частности э о-тер может быть исоении для поя )деталей мамическользо обработке, и о в машиност верхн тного упрочне готовленных и шин, исталей глеродистых ержание бода выбираеакции лазе ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЦТИЯПРИ ГКНТ СССР К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Цель изобретения - повышение микротвердости поверхностного слоя обработанных изделий за счет повышения поглощательной и насыщающей способ ности состава.Состав для лазерного боразотирования содержит диоксид марганца, борный,ангидрид и карбамид при следующем соотношении компонентов, мас.Ж:Диоксид марганца 2 - 10Карбамид 10 - 20Борный ангидрид ОстальноеДиоксид марганца ИпО, содержащий в себе около 637. марганца, выполняет двоякую функцию: он способствует активному поглощению световой (лучистой) энергии, а также образованию Цель изобретения - повышение микротвердости поверхностного слоя обработанных иэделий за счет повышенияпоглощательной и насыщенной способностей сплава. Состав содержит,мас.7.: диоксид марганца 2"10, карба"мид 10-20, борный ангидрид остальное.Использование данного состава прилазерной химико-термической обработке повышает микротвердость поверхности обработанных изделий на 50-70 Ж эасчет повышения поглощательной способности состава на 90-957.: 1 табл. при его разложении боронитридов марганца, обладающих высокой твердостью,.При содержании диоксида марганца менее 2 Х поглощение энергии составомслабое, а легирование неэффективно.Повышение процентного содержания диоксида марганца свыше 107. приводитк выгоранию состава, а также к насыщению поверхности оксикарбонитридамимарганца и снижению твердости.КаРбамид (мочевина) СО(ИН ) является азотсодержащим веществом,так как содержит очень много азота(45,57). В процессе лазерного нагрева происходит разложение карбамидаи образование реакционно-способныхатомов азота.Борный ангидрид ВОЗ являетсяборсодержащим веществом, и в процессе его разложения образуются активные атомы бора,Процентное сод рного ангидрида и карбами тся такимобразом, чтобы ре рного син з 148297 теза борнитридов (боридов и нитридов) марганца протекала наиболее благоприятно. Снижение процентного содержания борного ангидрида и карба 5 мида ниже указанных в составе ведет к увеличению диоксида марганца, а также к выгоранию состава и. насьпцению поверхности оксикарбонитридами марганца. Превышение процентного содержания борного ангидрида и карбамида, указанных в составе, за счет снижения диоксида марганца ведет к снижению поглощательной способности состава, 15Указанные свойства компонентов, вводимых в состав предлагаемой смеси, позволяют повысить поглощательную способность и эа счет этого степеньупрочнения поверхности углеродистых 20сталей.Установлено, что микротвердостьборидов Ст, Мо, Ч и Ю различногостехиометрического состава составляет 12-28 ГПа, а нитридон - 7-15 ГПа. 25Поэтому лазерное насьпцение боромвысоколегированных инструментальныхсталей, содержащих эти элементы, позволяет получить высокую твердостьповерхности, но ввиду чрезвычайной 30хрупкости боридов она не обеспечиваетвысоких эксплуатационных характеристик. Этот недостаток устраняется совместным лазерным насьпцением бором иазотом, что ведет к образованию боронитридов Сг, Мо, Ч и И, Посколькуборонитриды представляют собой комбинацию боридов и нитридов различнойпропорции, их микротвердость нижеборидов, однако совместное насьпцениебором и азотом при лазерной обработке высоколегированных сталей позволяет получить высокие эксплуатационные свойства поверхности при достаточно высокой микротвердости, достигающей 21 ГПа,Углеродистые стали не являютсялегированными и не содержат Сг, Мо,Ч и Ц, поэтому их лазерное борирование ведет лишь к образованию хрупко 50го поверхностного слоя, содержащегобориды железа, с микротвердостью до16 ГПа, лазерное азотирование обеспечивает еще меньшую макротвердостьповерхности, не превышающую 8 ГПа,Таким обраэом, лазерное бораэотирование углеродистых сталей способствует получению на их поверхностинехрупкого слоя, но микротвердость,достигаемая при этом,не превышает11-12 ГПа,Установлено также, что боридымарганца МпВ различного стехиометрического состава сопоставимы лосвоей микротвердости (свыше 20 ГПа)с боридами хрома, ванадия, молибдена, а борид четырехвалентного марганца МпВц по своей микротвердости(37 ГПа) не уступает самым твердымборидам вольфрама. Однако проведенные многочисленные исследования полазерному боромарганцированию поверхности углеродистых сталей из различных бор- и марганецсодержащих составов хотя и позволяют получить высокую микротвердость (свыше 20 ГПа),не удовлетворяют требованиям качества. При измерениях микротвердостина этих поверхностях появляются микротрещины, а в ряде случаев образовывается густая сетка микротрещинпосле лазерной обработки за счет, тепловых напряжений. При лазерном легировании поверхности углеродистых сталей из различных азот- и марганецсодержащих составов получена микротвердость порядка 10-12 ГПаВ предлагаемом решении подобранатакая комбинация окислов бора и марганца, а также азотсодержащего карбамида, которая в условиях лазерногонагрева обеспечивает мгновенное расплавление смеси, разложение компонентов смеси до атомарных бора, азотаи марганца, соединение их в боронитриды марганца и внедрение в стальнуюматрицу. Иэ бор- и азотсодержащихвеществ выбраны борный ангидрид икарбамид с высоким содержанием бора(свыше 307) и азота (свыше 457).Введение в состав смеси окислачетырехвалентного марганца (черногоцвета) МпО с содержанием Мп более637. способствует активному поглощению световой энергии и благоприятному протеканию реакции лазерного синтеза высокотвердых боронитридов споследующим насьпцением ими легируемой поверхности углеродистой стали.1П р и м е р. Проводят лазерноеборазотирование поверхности углеродистой закаленной стали 45 с помощьюпредлагаемого состава. Изготавливаютсуспенэию иэ порошков компонентовсостава и.стандартного связующего(507-ный раствор клея Бфна ацетоне), которая пульверизатором нано 5 148 сится на плоскую поверхность испыту-1 емьж образцов. После просушивания поверхности на воздухе (в течение 20 мин) проводят обработку ее лучами лазера на лазерной установке "Квант" с оптическим генератором импульсного действия на неодинаковом стекле. Режимы лазерной обработки следующие: энергия облучения 40 Дж, длительность импульса 8 мс, пятно прямоугольное с размерами 1,5 к 4 мм. Микротвердость обработанной поверхности измеряют на микротвердомере ПМТ -3 при нагрузке 0,5 Н и пяти - семикратной повторности эксперимента.Чем выше поглощательная способность, тем выше в конечном итоге микротвердость. Поэтомуза максимальное поглощение может быть принято такое, при котором на поверхности углеродистой стали достигается максимальная микротвердость при использовании любого состава и при любом числе проходов лазерной обработки. Такая микротвердость (24 ГПа) достижима при Десятикратной обработке с использованием предлагаемого состава, и соответствующее этому варианту поглощение лазерной энергии может быть условно принято за 1 или 1007 Поэтому за поглощательную способность принимают отношение мнкротвердости, получаемой при двухкратной лучевой обработке наносимого на поверхности углеродистой стали одного из составов, к максимальной микротвердости (24 ГПа), достигаемой при использо,вании предлагаемого состава.Упрочнение, при котором достигается максимальная микротвердость (13,5 ГПа) на поверхности углеродистой стали при десятикратной обработке известного состава, может быть принято за 1. Поэтому за степень упрочнения принимают отношение микротвердости, получаемой при двухкратной лучевой обработке наносимого на поверхность углеродистой стали предлагаемого состава, к максимальной микротвердости (13,5 ГПс), достигаемой при использовании известного состава.Сравнительные данные по поглощательной способности и степени упрочнения поверхности углеродистой стали 45 при использовании известного (1) и предлагаемого составов приведены в таблице. 2975Из приведенных данных следует,что предлагаемый состав обеспечивает,высокую поглощательную способностьпорядка 90-95 Е и повышение степениупрочнения на 50-707 по сравнениюс известным составом (примеры 4-6).Уменьшение количества диоксидамарганца и карбамида ниже указанных10 в составе (пример 3) приводит куменьшению поглощательной способности состава, а также количества образующихся боронитридов марганца, чтоснижает степень упрочнения.15,Увеличение количества карбамидапри малом количестве диоксида марган, ца(пример 2) и соответственно, малой поглощательной способности приводит лишь к образованию боронитри дов железа и слабому упрочнению поверхности.При увеличении количества диокси да марганца вьппе указанного в составе (пример 7) начинается интенсивное выгорание состава и поглощательная способность падает. При этомувеличенное количество карбамида 30 (пример 7) ведет к образованию преимущественно оксикарбонитридов марганца и небольшому упрочнению поверхности,При большом количестве диоксида,марганца и малом количестве карбамида (пример 8) происходит преимущественное образование боридов марганца и степень упрочнения несколько повы шается по сравнению с предыдущим слу"чаем (пример 7), но интенсивное вы- горанием смеси не позволяет получить такие характеристики, как при использовании предлагаемого состава с коли чественным соотношением компонентовв указанных пределах.Предлагаемый состав представляетсобой такую комбинацию ингредиентов и такое их оптимальное процентное содержание, которое позволяет улучшить поглощательную способность состава и получить более высокую степень упрочнения на поверхности обычных углеродистых сталей, чем при легировании с использованием известного состава поверхности высоколегированных сталей. При этом достаточно двух- кратной лучевой обработки поверхнос1482975 ти, Поглощательная способность состава составляет порядка 90-953, а степень упрочнения поверхности по сравнению с известным составом уве личивается на 50-707 Состав может наноситься и в виде порошка (вдувание или обработка лазерным лучом через стеклянную обой" 10 му), и в,виде суспензии, что наиболее удобно и эффективно технологически. В результате лазерной обработки состава на поверхности различных углеродистых и малолегированных сталей 15 образуются блестящие, светлые, прочно сцепленные с основным материалом слои, обладающие высокими эксплуатационными свойствами. Пример Состав Содержание: компонентов, мас,% Максимальная ПоглоСтепень щательнаяспособмикротвердость,ГПа, при числе(И) проходовлазерной обработки упрочнения ность 2 10 12,3 13,5 0,51 12,5 13,0 0,52 1,0 0,9 1 25 Остальное 1 5 Остальное 2 Остальное 6 15 Остальное 10 20 Остальное 12 25 Остальное 1414,8 15,3 0,64 21,8 22,5 0,93 23,1 24,0 0,95 1,6 1 ф 7 20,4 21,2 0,89 1,5 15,7 16,2 О,бб 1,2 16,8 17,5 0,69 1,3 Остальное Составитель А.БулгачТехред Л.Сердюкова Корректор М.Васильева Редактор И.Петрова Заказ 2787/22 Тираж 941 ПодписноеВНИНШИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР11303 5, Москва, Ж, Раушская нйб д, 4/5 Производственно-издательский комбинат Патент , г,ужгород, ул, Гагарина, 1 11 ,11 т Г 101 Нитрид бора (известный)Диоксид марганцаКарбамидБорный ангидридДиоксид марганцаКарбамидБорный ангидридДиоксид марганцаБорный ангидридДиоксид марганцаКарбамицБорный ангидридДиоксид марганцаКарбамидБорный ангидридДиоксид марганцаКарбамидБорный ангидридДиоксид марганцаКарбамидБорный ангидрид Формула изобретенияСостав для лазерного боразотирования преимущественно углеродистых сталей, включающий бор- и азотсодержащие вещества, о т л и ч а ю щ и й - с я тем, что, с целью повышения микротвердости поверхностного слоя обработанных изделий за счет повышения поглощательной и насыщающей способностей. состава, он дополнительно содержит диоксид марганца, а в качестве бор- и азотсодержащих веществ соответственно борный ангидрид и карбамид при следующем соотношении компонентов, мас.7.:Диоксид марганца 2 - 10 Карбамид 10 - 20 Борный ангидрид Остальное