Способ термического поверхностного упрочнения металлических изделий лазерным излучением

9) КС (11) 2 ОО 46 ОЗ О1) 5 С 2101 О 9 ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ К ПАТЕНТУ 2 на дв инзу 3, н 1 делится светоделительнои ппастинкоипучкаи . В первый пучок помещают1 2пути второго пучка устанавливают сфзеркало 4, при помощи которого стражесбивается с прошедшим через светодепластинку 2 лучомв плоскости поверхнли 5 под углом сс. При этом в областиповерхности детали 5 в пределах пят а зразуются чередующиеся области в видмаксимальной и минимальной плотностьизлучения и периодом Л:Л/к, где Х -лазерного излучения;а - угол сбивки лФокусное расстояние линзы 3 и сферичекала 4 определяются расстоянием до дразмерами пятна закалки. 3 ип. Аг 1 Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам(71) Хабаровский политехнический институт(73) Мулин Юрий Иванович; Студеникин ЮрийЕфимович; Новохатский Виктор Вениаминович(54) СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОГО ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ(57) Использование: изобретение относится к лазерной термообработке металлических деталей иможет быть использовано на металлообрабатывающих предприятиях машиностроительной, станкостроительной промышленности и других отраслей на -родного хозяйства. Сущность: излучение от лазера ерическое нный луч2лительную ости детасбивки на акапки обе полос с ю энергии длина волны учейи.1 2ского зеретали 5 иИзобретение относится к лазерной термообработке глеталлических деталей и может быть использовано на металлообрабатывающих предприятиях машиностроительной, станкостроительной промышленности и других отраслей народного хозяйства,Известен способ поверхностной термообработки металлических деталей посредством нагрева лазерным излучением их рабочих поверхностей, при котором используется сфокусированный лазерный пучок с гауссовскигл распределением энергии по поперечному сечению пуцка.Недостатком этого способа является неравномерное упрочнение поверхности в пределах пятна закалки, обусловленное неравнооерным распределением энергии по поперечному сечению пучка.Известен также способ, реализуемый с помощью устройства для получения пуцка с равномерным распределением энергии по сечению, в котором на пути прохождения лазерного луча устанавливаот зеркало с внутренним отражением, причем центральная часть луча, отражаясь от поверхности, равномерно накладывается на часть фокальной плоскости, где находится обрабатываемое изделие, которое таким образом облучается сжатым лазерным лучом и с равномерно распределенной по сечению пучка энергией,Недостатком прототипа является то, что после упрочнения металлических пооерхностерлазерным излучением не достигается наилучшая демпфирующая микроструктура поверхностного слоя, определяемая наличием локальных мелкодисперсных элементов с оысокой твердостью и более вязкой связующей матрицы (основы), которая не образуется при приме- ценки сплошного упрочнения поверхности,Известен способ термического поверхностного упрочнения металлических изделий лазерным излучением, включающим подачу основного лазерного луча через фокусирующую линзу и дополнительного лазерного луча после отражения от сферического зеркала, нагрев эоны обработки до температуры закалки.В известном способе реализуется лишь уоелицение интенсивности излучения в зоне упрочнения за счет воздействия луча, отраженного от поверхности детали при помощи сферического зеркала, При этом фазооые искажения, вносимые в отраженный луч поверхностью, существенное различие интенсивности взаимодействующих световых волн и достаточно большой угол между ними не позволяют на поверхности детали о мес те упрочнения образовывать. световой поток, состоящий из чередующихся зон с максимальной и минимальной интенсивностьюи тем самым не позволяет получить упругую5 демпфирующую микроструктуру, котораяобеспечивает повышенную износостойкость.Целью изобретения является пооышеНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ,Поставленная цель достигается тем, чтоизлучение лазера с помощью светодели, тельной пластинки делится на доа пучка,которые сбиоаотся на обрабатываемой поверхности под малым углом и с требуемыми15 поперечными размерами при поглощи линзы и сферического зеркала, образуя чередующиеся полосы с максимальной иминимальной плотностью энергии излучения, Вследствие этого на упрочняемпй дета 20 ли образуется поверхность с чередованиемзон с высокой и малой микротоердостью,образуощих износостойкую упругую демпфирующую микроструктуру, определяемую наличием локальных мелкодисперсных25 элементов с высокой твердостью и болеевязкой связующей матрицы,На фиг.1 представлена схема расположенил оптических элементов и детали при 30 35 40 45 50 55 выполнении способа поверхностного термоупрочнения лазерным излуцением; на фиг.2 - схема расположения на упрочняелой поверхности детали зон с высокой и малой микротвердостью; на фиг.3 - схема, иллюстрирующая конкретный пример реализации способа.Предлагаемый способ поверхностного упрочнения металлических деталей реализуется при следующем порядке расположения оптических элементов и упрочняемой поверхности. По направлению луча лазера 1 (см,фиг,1) устанавливают соетоделительную пластинку 2 и линзу 3. Сферичес .е зеркало 4 устанавливают на пути следосания отраженного соетоделительной пластинкой 2 луча,Способ реализации следующим образом, Излучение от лазера 1 делится светоделительной пластинкой 2 на два пучка 1 и 12. В первый пучок помещают линзу 3, на пути второго пучка устанавливают сферическое зеркало 4, при помощи которого отраженный луч 2 сбивается с прошедшим через светоделительную пластинку 2 лучол 1 в плоскости пооерхности детали 5 под углом а. При этом о области сбивки на поверхности детали 5 о пределах пятна закалки образуются чередующиеся области о виде полос с максимальной и минимальной плотностью. энергии излучения и периодом Л Л /а, гдеА - длина волны лазерного излучения;а угол сбивки лучей 11 и 12, Фокусные расстояния линзы 3 и сферического зеркала 4 определяются расстоянием до детали 5 и размерами пятна закалки,Образование чередующихся областей в виде полос с максимальной и минимальной плотностью энергии излучения в области сбивки и в пределах пятна закалки приводит к образованию решеточной микроструктуры на упроцняемой поверхности детали в виде чередующихся эон б (см,фиг,2), имеющих повышенную микротвердость и более мелкодисперсную структуру, по сравненио с материалом зон, расположенных рядом. Различия в значениях микротвердости и дисперсности зон определяются образованием на поверхности детали участков с большей и меньшей температурой нагрева вследствие наличия в лазерном излучении областей с большей и меньшей плотностью энергии. Кратковременность нагрева и быстрый отвод тепла вглубь детали вызывает структурно-фаэовые изменения в поверхностном слое металла в соответствии с величиной плотности энергии излучения.Способ осуществлен на базе импульсно-периодицеского С 02-лазера с длиной волны А 00,6 мкм, Излучение лазера 0 при помощи светоделительной пластины 2 (возможно применение и других типов ответвителей излучения) делится на двэ пучка с интенсивностью 11 и 12 (см.фиг.3). Пучок 0 проходит через линзу 3, расположенную на расстоянии х =(В) (0 + б/р)+ 2 Ь/3 от линзы 2, и преобразуется в пучок диаметром б, где д - требуемый диаметр пятна закалки. Упрочняемая деталь 5 располагается на расстоянии 11 = 1(0 + б//э) от линзы 3. В приведенном выражении Й - радиус кривизны сферического зеркала 4; 1 - фокусное расстояние линзы 3; 2 Ь - линейные размеры пластины; р - диаметр лазерного пуцка. Для равенства поперечных размеров пуцкав 11 и 12 в Облаети Сбивки СфЕричЕСкОЕ зеркало 4 должно располагатьсл на расстоянии,3 = (В(0 + г 0/р) + 4 Ь 1/б от пластины 2 и на расстоянии 12 = Й(0 + с 1/р)/2 от упрочняемой детали 5.При выполнении этих условий плотность энергии излучения на поверхности упрочняемой детали изменяется по законууу = В/1 + ЧЧ 2 + 2 Я 11 И 2 СОЗ Ргде р- разность фаз.5 00 20 30 до повторного шл,лфовэнил до 7,0 - 7,5 тыс,35 40 50 При этом Области с максимэльнОй и минимальной плотностью энергии излучения будут чередоватьсл с периодом А А /а .Для проверки предлагаемого способа упрочнялись поверхности вырубных штампов иэ материала У 00 А. закаленных и Отпущенных до НЯСз 58.Упрочнение проводилось двумя способами; 0) сфокусированным лазерным пучком с гауссовским распределением энергии по поперечному сечению; 2) лаэерныл пучком, предварительно поделенным с помощью светоделительной пластины на два пучка 1 и 12 с последующей их сбивкой нэ обрэаатываемой поверхности с обрэзованием решетки ,ередующихсл зон с макси- мдльнОЙ и минимальной плотностью энергии излучения.По перволу варианту упрочнения микротвердость поверхности штампа возросла от 600 до 02500 МПа, При втором варианте упрочнения зона наибольшей ликротвердости достигала до 04000 УПа и между ними микротвердость составляла 9200 УПэ.Долговечность серийных штампов до повторного шлифования без упрочненил составляла 3,6 - 4,0 тыс, деталей. Лазерное упрочнение рамок по первому варианту позволило повысить стойкость инструмента деталей, Гри упрочнени рамок по втооому варианту с Образованием решети чередующихся зон с повышенной микротьердостью и вязкой основой стойкость инструмента до повторного шлифования составляла 9,5-00 тыс. деталей.Таким образом упрочнение поверхности штампа лазерным пучком, предварительно поделенным с помощью светоделитальной пластины на два пучка с последующеЙ их сбивкой на обрабатываемой поверхности с образованием решетки чередуящихся зон с максимальной микротвердостьо и несколько вязкой основой, по сравнению с упрочнением сфокусированным лазерным пучком с гауссовским распределением энергии по поперечному сечения и максимальной микротвердостью по упрочнлемой поверхности позволяет повысить долговечность работы штампа до повторного шлифованил с 7,0 - 7,5 тыс, деталей до 9,5 - 00 тыс, деталей, т.е, в 0,33- 0,36 раза.2004603 Формула изобретения Составитель А,Орешкина Редактор Г.Мельникова Техред М.Моргентал Корректор Л.ПилипенкоТираж Подписное НПО "Поиск" Роспатента113035, Москва. Ж, Раушская наб 4/5 Заказ 3380 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОГО ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ, включающий подачу основного лазерного луча через фокусирующую линзу и дополнительного лазерного луча после отражения от сферического зеркала. нагрев зоны обработки до температуры закалки, отличающийся тем, что, с целью повышения износостойкости, дополнительный лазерный луч создают путем 5отражения основного от светоделительной пластинки, а закалку поверхности двумя лучами осуществляют с образованием на поверхности изделия структуры чередующихся зон термического упрочнения с по вышенной и пониженной твердостью спериодом чередования зон 1 = Ф, где Х- длина волны лазерного излучения,и - угол между основным и дополнительными лучами.