Способ термической обработки деталей

( 71) МВТУ им. Н . Э . Баумана и Науч но- исследовательский центр по технологич ес ким ла з ерам АН СССР(56) Заявка Японии У 58-84927, кл . С 21 0 1/09, опублик. 1983.Морящев С.Ф ., Воинов С,С. Влияние режима лазерной закалки на предел выносливости и износостойкости сталей. Поверхность. Физика, хими механика, 1984, Р 2, с,138-142. я,(54) СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИДЕТАЛЕЙ(57) Изобретение относится к термической обработке стали с помощ юконцентрированных источников энергии,ь Изобретение относится к термиче кой обработке стали с помощью концентрированных источников энергии, конкретнее лазерным лучом, и может быть использовано в машиностроении при изготовлении деталей типа тел вращения. Цель пзобретени- Улучшение каув елич е ния повышения твер -путе чества деталиглубины упродости. ени зобре и вра ения заключается щении детали темости одного витка вале от темпераитного превращеСущность в том, что пературу на выд ержи вают туры начала инт рте ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ И ВТОРСНОМУ СВИ ЯО; 4 бпод конкретнее лаз ер ным лучом, и можетбыть использовано в машиностроениипри изготовлении деталей типа вращения. Цель изобретения - улучшениекачества детали путем глубины упрочнения и повышения твердости. Сущностьизобретения заключается в том, чтосогласно способу упрочнения стальных ичугунных деталейимеющих Форму телвращения, с помощью непрерывного лазера, включающему вращение деталейпри воздействии лазерного излучения свысокой скоростью и осевое смещение детали относительно лазерного луча, поддерживают температуру на поверхностиодного витка при вращении детали винтервале от температуры начала мартенситного превращения Мдо температуры кипения металла при одновременном охлаждении участков поверхности детали перед пятном лазерногонагрева и после него. 1 ил ., 3 табл . ния до температуры кипения металла при одновременном охлаждении участков поверхности деталей перед пятном лазерного нагрева и после него. В процессе охлаждения температуру участка поверхности перед пятном лазерного нагрева поддерживают на уровне комнатнойа после пятна лазерного нагрева - на уровне тсчки конца мартенсптного превращения.На чертеже представлена схема для, осуществления предлагаемого способа.Схема содержит деталь 1, манипулятор 2, пирометры 3 и 4, приемник 5 сигналов, сопла 6 и 7 для подачи охлаждающего газа или жуткости.Расширение интервала температур на поверхности Одного витка позволяет повысить плотность мощности лазер - ного излучения или вести обработку5 с меньпей скоростью. Оба эти фактора приводят к увеличению энерговклада в Облучаемую поверхность, к прогреву на большую глубину и к увеличению глубины упрочненного слоя. Верхняя тем,пература на поверхности определяется температурой начала кипения металлао (железа) Т пп, равной 2870 С. При большей тегпературе на поверхности начинается заметное испарение металла, экранирование зоны обработкипродуктами испарения, размеры упроч,ненных слоев могут понижаться, нес мотря на большой энерговклад. Кроме того превьппение температуры испаре пня нежелательно из-за резкого ухудшения микрорельефа поверхности.Нижняя температура на поверхности может быть равна точке начала мартен- ситного превращения, так как при колебании от температуры испарения до М н распад аустенита не происходит. При температуре ниже Мв слое начинается распад аустенита в мартенсит, что может привести при нагреве от последующего витка к образованию зон отпуска, т.е. к снижению твердости и возрастанию неоднородности по поверхности. Снижение температуры на поверхности до МП с Однородным повьнцением ее до Тп позволяет увеличить время аустенитизации при лазерной закалке железоуглеродистых сталей, что очень важно для получения достаточной твердости, особенно в нижних слоях зоны термического воздействия. Углерод при этом может диффундировать на большое расстояниЕ, успевает происходить более полное перераспределение его концентрации45 между различными составляющими, что приводит к повышению общего уровня твердости при последующем охлаждении.Одновременное охлаждение участков поверхности детали перед лазерным лучом и после него необходимо для получения возможности понижения нижней границы температуры до точки М н. Пез такого дополнительного Охлаждения в районе температуры минимяльной устойчивости аустенита в 55 процессе охлаждения может произойти распад пересхлажденного аустенита на ферритокарбидную смесь, что приводит к резкому снижению твердости п осле обработки. Охлаждение перед лазерным нагревом необходимо также длятого, чтобы не только при охлаждении, но и в условиях многоцикловогонагрева при наложении ряда витковизбежать нагрева аустенита в областьего р аспада на фе рритоцеме нти тнуюсмесь. Таким образом, без охлажденияснижение температуры ниже Мя невозможно,Температура охлаждения перед лазерным лучом должна быть выбрана науровне комнатной, Это позволяетобеспечить наибольшую технологичность и производительность, обеспечивается также равномерность поглощейия излучения, что позволяет провести процесс стабильно. Снижение иповьппение. температуры охлаждения требуют затрат подготовительного времени перед лазерной обработкой. Крометого, повышение температуры охлаждения может привести к замедлению скор ости нагр ева и к р аспаду аустенитана ферритоцементитную смесь при нагреве, что является нредпосыпкой дляснижения твердости.Температура охлаждения участковповерхности после лазерного луча должна быть выбрана на уровне точкиконца мартенситного превращения М,.Это обеспечивает практически полноезавершение превращения аустенита вмартенсит. При большей температуреохлаждения происходит неполное превращение аустенита, что приводит кснижению твердости. Снижение температуры охлаждения не приводит к заметному снижению содержания остаточногоаустенита, поскольку в силу высокойскорости охлаждения после лазерногонагрева процессы стабилизации аустенита в интервале М н - М выраженыслабо. Может уменьшаться глубинапрогрева, поэтому снижение температуры охлаждения в данных условияхприводит лишь к усложнению технологиии,Применение поддержания температуры на поверхности одного витка от температуры начала мартенситного превращения М до температуры ниже кипения металла при одновременном охлаждении участков поверхности детали перед лазерным лучом и после него в охлаждающей среде позволяет1617007 увеличить глубину упрочнения в 1,8 - 2,3 раза и повысить микротвердость на 31 - 517 по сравнению с известным способом.Способ осуществляют следующим образом.Для данной марки стали или чугуна, иэ которой изготовлена деталь, по справочнику определяют характерные температуры точек Мн, Мк, Тким Температуры М и М понижаются при увеличении содержания углерода в стали, исходя из диаметра детали и необходимой глубины упрочнения при помощи решений задач теплопроводности определяют примерные варианты режимов лазерной обработки: мощность излучения Р, скорость вращения и, значение осевой подачи Яп при заданном диаметре пятна йп.Деталь 1, имеющую Форму тела вращения, закрепляют в манипуляторе 2 и сообщают ей вращательно-поступательное Перемещение, при этом на ее поверхность воздействуют лазерным излучением. В процессе наложения нескольких пробных витков определяют получаемый интервал температур на поверхности за один виток при помощи двух пирометров. Одним пирометром (3) измеряют максимальную температуру нагрева в лазерном пятне в начале витка, а другим пирометром (4) - температуру рядом в конце витка. Рассчитанные ранее режимы лазерной обработки корректируют, максимальную температуру в пятне, определяемую пирометром 3, регулируют чаще всего изменением осевой подачи или плотности мощностиЧ = 4 Р/Ь 1при равномерном распределении или1 мако 8 Р/ ипри Гауссовском распределении энергии по пятну, при этом кипение металла обычно начинается при значенияхс 1 Ф(20 - 26) 10 Вт/смФ(Минимальную температуру нагрева, которая должна соответствовать температуре точки М, удобнее всего регулировать изменением скорости вращения, При этом возможна автоматическая регулировка температуры при5 выводе сигналов с пирометров в соответствующие приемники 5 сигналов и далее в систему управления лазерным комплексом. Температуру поверхности деталеи перед лазерным лучомпонижают при подаче охлаждающейжидкости или холодного газа черезсопло 6, а температуру поверхностидеталей после лазерного луча понижают при подаче охлаждающей жидкостиили хсподного газа через сопло 7.Температуру участков контролируютконтактными термометрами или термопарами.В процессе быстрого вращения научастке поверхности А, захватывающемнесколько соседних витков, температура может изменяться от Ткия до Мнесколько раз. Однако ввиду того,что осуществляется охлаждение поверхности после лазерного луча науровне температуры М охлаждение 20 идет со скоростью вьпне критическойи обеспечивается переохлаждеииеаустенита до температуры М. Далееследует нагрев уже за счет прохождения пятна по второму витку (если 25 учесть, что обработка ведется сбольшим перекрытием витков) . Охлаждение поверхности деталей перед лазерным лучом до комнатнойтемпературыприводит к высокой скорости нагреваи предупреждает распад аустенита наферритоперлитную смесь при нагреве.После смещения лазерного пятна с .участка А и окончания его нагреваэта часть поверхности охлаждаетсясо сверхкритической скоростью эасчет теплоотвода во внутренние слоиметалла и за счет дополнительногоохлаждения в охлаждающей среде. Охлаждение до температуры М обеспечиНвает полное превращение аустенита вмартенсит и получение максимальнойдля данной стали твердости.П р и м е р 1. Упрочнение пруткаиз стали 45 диаметром 5 мм.Сталь имеет следующие характерные температуры: М н = 350 С; М =70 Сф Ткип = 2870 оСПруток устанавливают во вращающемся патроне и вращают со скоростью 50 и = 2850 об/мин. Лазерную обработкуведут при мощности излучения Р == 2,5 кВт, Перед лазерным нагревоми после нагрева поверхность охлаждают водой до температурыо520 С. Температура на поверхности влазерном пятне и на поверхности виткапосле лазерного пятна измеряют припомощи пирометров "Проминь" и регулируют изменением скорости вращенияПри различных значениях диаметра пятна Й и скорости осевой подачи Б достигаются различные температурные интер валы на лов ерхности одного витка. После упрочнения изготавливают мерцал ографические шлифы, измеряют ; глубину упрочнения на оптическом микроскойе "Неофот 21", а микротвер;дость - на приборе ПМТ-З,Данные представлены в табл .1. 10 Из данных табл,1 видно, что при: обработке по предлагаемому способупри поддержании температуры в интервале от точки М до температуры ниже .глубина упрочнения увеличивается в 1,8 раза, а микротвердость:, на 31 по сравнению с известным способом (нагрев в интервале температур700 С-Тбез охлаждения поверхности) .30П р и м е р 2. Упрочнение пруткаиз стали 45 диаметром 5 ьм. Прутокустанавливают во вращающемся патронеи вращают со скоростью а = 2850 об/мннпри осевой подаче Бп = 24 мм/с. Лазерную обработку ведут по режимам:мощность излучения Р = 2,5 кВТ;диаметр пятна Йв = 2 мм, Температурав центре лазерного пятна составляет2800 С, а в конце витка - 350 С. Перед лазерным нагревом поверхность охлаждают струей воды с различной температурой: вышее, ниже и равной комнатной. Поверхность прутка послелазерного нагрева охлаждают воцой до 35комнатной температуры. После упроч-нения изготавливают металлограФические шпиФы, измеряют глубину упрочнения на оптическом микроскопе "НеоФот 21", а микротвердость - на приборе ПМТ-З.Данные приведены в табл.2.Из данных табл,2 видно, что приохлаждении участка поверхности передлазерным нагревом до комнатной температуры достигается наилучшее сочетани е глуби ны и микр от верд ости,П р и м е р 3. Упрочнение пруткаиз стали 65 диаметром 8 мм.Сталь имеет следующие характерные 50температуры: Т щр 2870 С р Ми 280 С уоМ = - 20 СПруток устанавливают во вращающемся патроне и вращают со скоростью2000 об/мин при осевой подаче 55Б = 20 мм/с. Лазерную обработку11ведут по режимам: мощность излученияР = 2,5 кВт, диаметр пятна йп = 2 им,Температура в центре лазерного пятна составляет 2870 С, а в конце витока - 280 С . Перед лазерным нагревом поверхность охлаждают струей воды до комнатной температуры. Поверхность прутка после лазерного нагрева охлаждают водой до комнатной температуры и струей жидкого азота до -20 фС ио-30 С. Проводят упрочнение без охлаждения поверхности перед лазерным пятном и после него при д= 3 мм и Б 1 = 12 мм/с, При этом интервал температур на поверхности одного виткао700 - 1400 СПосле упрочнения изготавливают металлограФические шпиФы, измеряют глубину упрочнения на оптическом микроскопе "НеоФот 21", а микротвердость - на приборе ПМТ-З.Данные указаны в табл. 3.Из данных табл.3 видно, что охлаждение поверхности после лазерного нагрева до температуры точки М дает наилучшее сочетание глубины и микро- твердости. При обработке по предлагаемому способу глубина упрочнения увеличивается в 2,3 раза, а микротвердость повышается примерно на 517. по сравнению с известным способом (без охлаждения поверхности перед лазерным нагревом и после него).Формула изобретенияСпособ термической обработки деталей, преимущественно тел вращения из стали и чугуна, включающий вращение и осевое смещение детали, нагрев поверхности лучом лазера с Формированием локальной зоны, движущейся вдоль витка вращения детали,поддержание температуры на поверхности одного витка в заданном интервале значений и охлаждение, о т л и ч а ю щ и й с и тем, что, с целью улучшения качества детали путем увеличения глубины упрочнения и по-. вышения твердости, охлаждение перед . движущейся локальной зоной нагрева осуществляют до температуры не выше комнатной и одновременно после зоны до температуры не выше конца мартенситного превращения.2, Способ по 1, о т л и ч а ю - щ и й с л тем, что поддержание температуры на поверхности одного нитка проводят в интервале от температуры начала мартенситного превращения до температуры кипения металла.1617007 Таблица неера турцентрефс чаочн 8 а, ОкдаиЦение 15 г 4 14 го(тщ )г 8 оо(т, ) г 870(Таап ) О,З 8400 0,54 8400 0,65 5500 550(Мк л и Глубина упр оч не няя микротть, МПа 80 3 б л Глубина упр очне ния, мм ктеристи Температура охлния поверхностиле нагрева, СоВодой до 20 Соазотом до-30 С М)Без охлажденияверхности передным нагревом инего при 611 = 3Бп щ 12 мм/с пос 8600 0,55 9200 9200 0,5 0,5 0 Температура охлния поверхностперед лазернымпятном, Со лазер,24осле Средняя микротвердость, МПа1617007 луч лаьеуа Составитель А. КулеминРедактор М.Петрова Техред Л. СердюковаКорректор И.Н 1 ароши одписно оизводственно в издательск комбинат "Патент", г. Ужгород, ул, Гагарина, 10,к СУ АЛТК Заказ 4098 Тираж 512 ВНИИПИ Государственного комитета по и 113035, Москва, Ж, ретенияушская н открытиям при ГКНТ СССб., д 4/5