Способ упрочнения стальных изделий

(5) 5 ТЕНИЯ бирают и Изобретениебработке стали ианных источниклектронным лучомано в машиностнструмента. ал ( тооотнош импульсами м 1 а Го тва сти ная ходиздельсов энеростью ергии мпуль- интерГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Институт сильноточной электроники СОАН СССР и Сибирский физико-техническийинститут им. В.Д.Кузнецова при Томскомгосударственном университете(54) СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ СТАЛЬНЫХИЗДЕЛИЙ(57) Изобретение относится к термическойобработке стали при помощи концентрированных источников энергии и может быть тносится к термической ри помощи концентриров энергии, конкретнее , и может быть использооении для упрочнения Цель изобретения - улучшение ка изделий путем увеличения микротвер и глубины упрочненного слоя. Обработку поверхности стальных лий проводят серией одиночных импу сильноточного электронного пучка с гией электронов 10-50 кэВ, длительн пучка (0,5-3)10 с и плотностью эн пучка 2-5 Дж/см, при этом число и г сов в серии не превышает 150-300, аиспользовано в машиностроении для упрочнения инструмента. Цель изобретения -улучшения качества изделий путем повышения микротвердости и увеличения глубиныупрочненного слоя. Обработку поверхностистальных изделий проводят серией одиночных импульсов электронного пучка с энергией электронов 10 - 50 кэВ, длительностьюимпульсов (0,5-3) 10 с; и плотностью.вэнергии пучка 2 - 5 Дж/см . При этом число2импульсов в серии не превышает 150-300, аинтервал (то ) между импульсами выбирают не менее Мц/р С. (Т 1-То)1/а. где Йчисло импульсов в серии; ц - плотностьэнергии пучка; р,с, Т 1, То, а - удельный вес. Яудельная теплоемкость, температура отпу-ска, исходная температура и коэффициент,температуропроводности стали соответственно. 2 з,п. ф-лы, 2 табл,где й - число импульсов в серии;ц - плотность энергии пучка;р, с, Т 1, То, б - удельный вес, удель теплоемкость, температура отпуска, ис ная температура и коэффициент температуропроводимости стали соответственно.Интервалы изменения параметров сильноточного импульсного электронного пучка: энергия электронов 10 - 50 кэВ, длительности пучка (0,5-3)106 с, плотности энергии пучка 2-5 Дж/см выбраны на осно 2вании следующих соображений.Основным фактором, апределя ощимувеличение микротвердости и толщины упрочненнога слоя, является волна напряжений, которая распространяется отоблученной поверхности вглубь изделия.Источник возбуждения волны - эффект термоупругостй, вызванный быстрым расширением поверхностного слоя, разогретого довысоких температур при облучении материала электронным пучкам.Взаимодействие волны напряжений скристаллической решеткой материала мишени приводит к повышению плотности де фектов в области ее распространения,Многократное нагрукение поверхностныхслоев волной напрякений при увеличениичисла импульсов облучения обеспечиваетэффект накопления дефектов и, соответственно, рост степени упрочнения и глубиныупрочненной зоны, При И = 300 достигаетсямаксимально возмсокная плотность дефектов для данного вида стали. Максимальноезначение микротвердости при этом почти вдва раза превышает значение микротвердости, характерное для обычной закаленной стали (табл.1).,Эффективность процесса накогглениядефектов растет с увеличением амплитудыволны напряжений, которая зависит от максимальной температуры поверхности в зонеоблучения. Повышение температуры на поверхности выше температуры плавлениянецелесообразно из-з,.: заметно а испарения и образования кратеров, что вызываетнеобходимость в дополнительной механической обработке облученнаго поверхностного слоя. При температуре нижетемпературы плавления амплитуда волнынапряжений снижается и, соответственно.резко уменьшается скорость накоплениядефектов (снижаются твердость и размерупрочненной зоны).Таким образом, наиболее быстро и эффективно процесс накопления дефектов(упрочнение) происходи- при облучении врежиме равномерного оплавления поверхности (поверхностный источник тепла), Приэтом реализуется довольно высокое качество поверхности и не требуется ее дополнительная обработка.Высказанные положения положены воснову при выборе интервала изменения, параметров облучения: энергия электронов10-50 кэВ, длительность импульса (0,5-3)-"ЯО с и плотность энергии пучка 2-5Дж/см . Экспериментальна доказано, чтогпри энергии электраов менее 10 кэВ иплотности энергии менее 2 Дж/см поверхность облучаемой мишени не нагреваетсядо температуры плавления, В результате амплитуда волны напряжений мала и заметного упрочнения по сравнению с известнымспособом не наблюдают(табл.2).При энергии электронов более 10 кэВ5 поверхнасть равномерно оплавляется (поверхностный источник тепла) и развиваетсяпроцесс упрочнения (растет микротвердость и глубина упрочненной эоны). Повышение энергии электронов свыше 50 кэВ и10 плотности энергии свыше 5 Дж/см приводит к смене поверхностного источника тепла на объемный и на поверхности облученияпоявляются кратеры из-за сильного локальногоиспарения Позтомув качестве нижней15 границы интервала изменения энергииэлектронов и плотности энергии пучка выбирают 10 кэВ и 2 Дж/см соответственно,а в качестве верхней границы 50 кэ 8 и 5Дж/см соответственно (табл.2),20 Уменьшение длительности импульсаниже значения 0,5 10 бс приводит, как показали эксперименты по акустической диагностике, (используют пьеэокварцевый датчик),к росту амплитуды волны напряжений, од 25 нако, микротвердость непосредственно наповерхности при этом уменьшается из-замалого времени выдержки поверхностногослоя при высоких температурах, что приводит к неполноте фазовых превращений при30 закалке из расплава,При длительности импульса более 310 с, несмотря на равномерное оплавление поверхностиамплитуда волны напряжений снижается настал ько, что35 существенное накопление дефектов с ростом число импульсов становится невозможным. В результате микротвердостьповерхности облучения меняется слабо, Поэтому за нижнюю границу длительности им 40 пульса выбирают значение 0,5 10 с, а эаверхнюю 3 10 . с (табл. 2),При импульсном нагреве глубина упрочненного слоя может варьироваться как засчет изменения глубины проникновения45 электронов Х, так и за счет изменения длительности импульса т, Увеличение глубины упрочненного слоя путем повышенияэнергии электронов пучка Е нецелесообразна по рядч причин. Пасальку Х Е . (а=50: =-1,5-2), та с ростом Е необходимо увеличиватьплотность тока пучка для достижения той же самой температуры упрочняемого слоя, что связано с рядом технических и принципиальных трудностей, увеличением энергоем кости установки. Кроме того, рост энергииэлектронов усложняет проблемы высоковольтной изоляции источника электронов, и наконец, применение высокоэнергетичных пучков повышает радиационную опасностьпроцесса, а следовательно, требует определенных издержек (отдельный бункер для ускорителя, свинцовые экраны и т.д.),Возрастание глубины упрочняемогослоя за счет увеличения длительности импульса также нецелесообразно, так как вэтом случае усложняются проблемы генерации длинноимпульсных пучков, высоковольтной изоляции источника электронов,кроме того, возрастают энергоемкость и габариты установки.Поскольку микротвердость упрочняемого слоя имеет тенденцию к росту с увеличением скорости остывания слоя, то с этойточки зрения также нецелесообразно увеличивать длительность импульса и глубинупроникновения электронов.При использовании для поверхностного упрочнения стального изделия импульсного сильноточного электронного пучка,представляющего собой поверхностный источник тепла, наблюдается увеличение микротвердости и глубины упрочненного слоя сростом числа последовательных импульсовоблучения (табл.1),Интервал значений числа импульсов всерии выбран экспериментально. При числе(й) импульсов, равном примерно 150, значения микротвердости становятся максимальными для закаленных сталей ШХ 15 и 45,для стали Р 6 М 5 микротвердость продолжает расти, но ее значения близки к максимальному (табл.1). Однако значенияглибуны упрочненной зоны для всех сталейпродолжают расти (табл,1). При числе (й)импульсов, равном 300, для всех сталей значения микротвердости и глубины упрочненного слоя максимальны. Дальнейшаяобработка не приводит к существенным изменениям характеристик упрочненногослоя, вызывает излишние затраты энергиии экономически невыгодна.Интервал между импульсами в сериивыбран из условия остывания упрочняемогослоя к началу следующего импульса дотемпературы, не превышающей температуру отпуска стали. При этом исходят из сле-.дующих соображений,Приравнивают полную энергию электронного пучка за Й импульсов количествутепла, выделившемуся в образцеЯ 9 Я = ОСТЬ(Т - ТО), (1)где 8 - площадь, облучаемая пучком;Ь - расстояние, на которое распространяется тепло в течение интервала ( то )между импульсами;р- удельный вес;с - теплоемкость стали;Т 1-температура отпуска стали;5 10 То - исходная температура стали.Для простоты считают задачу одномерной т.е, тепло распространяется в направлении, перпендикулярном поверхности материала. Поскольку глубина проникновения тепловой волныи. а то 1где а - коэффициент температуропроводности стали:т, - интервал между импульсами.то из выражения (1) получают условие дляй 9 )г 1Р а П р и м е р 1. Образцы изделий из сталей 15 45 после термической закалки и отпуска помещают в камеру электронно-лучевой установки, где их поверхность облучают сильноточным электронным импульсным пучком с энергией электронов Еф 30 кэВ, длительно стью импульса т= 1,0 мкс плотностью энергии в пучке 9 = 3,0 Дж/см, Интервал между импульсами составляет в соответствии с выражением (1) - 10 с, число импульсов изменяют от 1 до 400.После обработки образцы вынимают из камеры и изучают методом микротвердости на приборе ПМТ - 3 при нагрузке 50 Г. Микротвердость измеряют на поверхности облучения, затем образец разрезают в направлении, перпендикулярном поверхности облучения, и после шлифовки измеряют микротвердость на различной глубине от поверхности облучения.За глубину упрочненного слоя принимают расстояние от поверхности облучения, где микротвердость максимальна, до места, где микротвердость равна микротвердости материала до облучения.Иэделия из сталей ШХ 15 и РбМ 5 обра батывают и излучают в дальнейшем таким же образом.Результаты влияния числа импульсов на микротвердость и глубину упрочненной зоны в стальных изделиях, облученных им пульсным электронным пучком (Е = 30 кэВ, 1 = 1,0 мкс, д = 3,0 Дж/см ),представлены в табл.1,Из табл, 1 видно, что с увеличением числа импульсов микротвердость на поверхности растет, достигая насыщения для стали 45 при примерно 200 импульсах,для стали ШХ 15,при 150 импульсах и для стали Р 6 М 5 при 300 импульсах. Одновременно повышается глубина упрочненной зоны. При этом максимальные значения микротвердости и глубины упрочненной зоны достигают соответственно 1400 кГ/мм и 306 мкм для сталиг45, 1780 кГ/мм и 469 мкм для стали ШХ 15, 16824031457 кГ/мм и 430 мкм для стали Р 6 М 5, чтосущественно выше, чем по известному способу.Приведенные результаты использованы при выборе граничных значений числа 5импульсов.П р и м е р 2. Образцы изделий из стали46 облучают в камере электронно-лучевойустановки, варьируя параметры электронного пучка: длительность импульса, максимальную энергию электронов и плотностьэнергии, После облучения при заданном наборе параметров пучка образцы изучаютметодом микротвердости.Результаты влияния параметров облучения на микротвердость и глубину упрочненной зоны стали 45облученнойэлектронным пучком (М:=200)приведены втабл.2.Зависимость микротвердости и глубины 20упрочненной зоны от длительности импульса, энергии электронов и плотности энергииносит экстремальный характер.При длительности импульса 0,4 10 с,энергии электронов 7 и 60 кэВ, плотности 25мощности 2 - 3 Дж/см значения микротвер 2рости близки к указанным в известном способе (табл.2), Поэтому за нижние граничныезначения параметров облучения принимают: длительность импульса 0,5 10 с, энергия элект 2 оонов 10 кзВ и плотность энергии2 Дж/см . При длительносги импульса3,5 10 с, энергии электронов 7 - 60 кэВи плотности энергии 5-6 Дж/см . Микро 2твердость и глубина упрочненной зоны 35уменьшаются (табл.2) го сравнению с обработкой при совокупности параметров 3ю 10 с, 7 - 60 кзВ и 4-6 Дж/см . Поэтому заверхние граничные значения параметровоблучения принимают: длительность импульса 3 10 6 с, энергия электронов 10 кэВ иплотность энергии 2 Дж/см,П р и м е р 3. Образцы изделий из стали45 после термической закалки и отпускапомещают в камеру электронно-лучевой установки, где их поверхность облучают сильноточным импульсным электронным пучковымс энергией электронов Е = 10 кэВ, длительностью импульса т = 0,5 мкс, плотностьюэнергии в пучке 9:= 2 Дж/см 2, Интервал 50между импульсами в соответствии с выражением (1) 4,5 с, число импульсов й = 200.Облученные образцы изучают таким жеобразом как в примере 1. Получены следующие результаты; максимальная микротвердость на поверхности Нм = 1342кГ/мм, максимальная глубина упрочненного слоя б -260 мкм.П р и м е р 4. Образцц изделий из стали45 после термической закалки и отпуска помещают в камеру электронно-лучевой установки, где их поверхность облучают сильноточным электронным импульсным пучком с энергией электронов Е = 50 кэВ, длительностью импульса т = 3 мкс, плотностью энергии в пучке д = 5 Дж/смИнтервал2между импульсами в соответствии с выражением (1) 28 с, число импульсов М = 200.В результате исследований получают следующие результаты: максимальная микротвер 2 дость на поверхности Нм = 1264 кГ/мм, максимальная глубина упрочненного слоя д = 280 мкм.П р и м е р 5, Образцы изделий из стали 45 после термической заалки и отпуска помещают в камеру электронно-лучевой установки, где их поверхность облучают сильноточным электронным импульсным пучком с энергией электронов Е = 7 кэВ, длительностью импульса т 0,4 мкс, плотностью энергии в пучке 9 21,7 Дж/см, Интервал между импульсами в соответствии с выражением (1) 3,2 с,число импульсов М =200.В результате исследований получены следующие результаты: максимальная микротвер 2 дость на поверхности Нм = 1040 кГ/мм, максимальная глубина упрочненного слоя б =190 мкм.П р и м е р б. Образцы изделий иэ стали 45 после термической закалки и отпуска помещают в камеру электронно-лучевой установки, где их поверхность облучают сильноточным электронным импульсным пучком с энергией электронов Е = 60 кэВ, длительностью импульса т 3,5 мкс, плотностью энергии в пучке о.= 6,5 Дж/см,г Интервал между импульсами в соответствии с выражением (1) 47 с, число импульсов И =200.В результате исследований получены следующие результаты: максимальная микротвер 2 дость на поверхности Н = 1245 кГ/мм, максимальная глубина упрочненного слоя б = 198 мкм.Таким образом, предлагаемый способ поверхностного упрочнения стальных изделий по сравнению с известным обеспечивает возрастание микротвердости поверхности и глубины упрочненной зоны в 1,5-2 раза, повышение безопасности работы, упрощение конструкции электронно-лучевой установки, улучшение ее весогабаритных и эксплуатационных характеристик.Формула изобретения 1; Способ упрочнения стальных изделий, включающий нагрев поверхности до температуры закалки импульсом сильно- точного электронного пучка с заданными1682403 10 3. Способ по п,1, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что нагрев осуществляют с интерваломмежду импульсами не менеен юР а длительностью, энергией электронов и плотностью энергии пучка, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью улучшения качества иэделий путем увеличения микротвердости и глубины упрочненного слоя, нагрев осуще ствляют импульсами многократно с заданным интервалом между импульсами и с длительностью импульса (0,5 - 3,0)10 с, энергией электронов 10 - 50 кэВ и плотностью энергии пучка 2,0-5,0 Дж/смг. 106 по п 1,отл ича ющи йся рев осуществляют 150-300 имде 1 ч - число импульсов;д - плотность энергии пучке, ф/см; Р - удельный вес, стали кг/см;с-удельнаятеплоемкость стели, Джонг К); а - коэффгициент температуропроводности стали, см /с;То - комнатная температура, С;Т 1 - температура отпуска стали, С. 2. Спосотем, что нагпульсами. б л Сталь Р 6 И 5 (зак. Сталь 45 (зак. Сталь йк 15 (зак.)т ИикротверЛость наповерхност 11 н (50).кГ/мм Ь Число им" Иикротверпульсов дость наповерхностНм(50)кг мм 2 Глубина Число им упрочнен пульсов ной зонымкм,Глубинаупрочненной зоны мкм Микротвердость наповерхности Нн(50кГ 1 мма Глубина Чи упрочнен имп ной зоны, со мкм ь 850 50 1000 . 130 080 200 1200 270 1430 300 1750 340 1760 З 7 О 177 о 4 го 1780 460 1780 464 1780 469 10 го 50 150 гоо 150 гоо 250 зоо 350 400 25 зо 35 4 О воо 1 ООО 1200 1 гзо 13 ОО 1 ЗЗО 1360 1 ЗВО 1400 1400 50 1 ЗО гоо гзо260 г 70 гво 290 зоо 304 306 го 50 1 ОО 150 гоо 2 ОО зоо 350 400 850 950 1 О 5 О 1170 1 г 7 о 1350 1400 1430 1450 1455 1460 130 гоо 260 310 350 380 410 4 го 426 4 ЗО1682403 12 Таблица 2 Длительность Иакснмальнаяимпульса, энергия Е10с электронов,кэВ Плотностьэнергии 8Дж/см 11 аксимальнаямикротвердость на поверхностиИ, кГ/ии Иак симальн аяглубина упрочненногослоя й, мкм 0,4 7102540604,.а . ф 7Э.10254060 1080 1220 1225 1183 980 196 205 215 215 208 0,5 244 264 273 275 258 2-3 1218 1344 1368 1335 1183 7 10 25 40 60 1346 1400 1400 1368.1224 252 284 300 292 278 1215 1337 1384 1356 1268 25 40 60 3,0 233 264 286 285 248 174 208 224 225 209 7 10 25 40 60 5-6 1238 1274 1310 1300 1244 Составитель А,Кулемин Редактор Н,Рогулич Техред М.Моргентал Корректор М.Кучерявая/Заказ 3383 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государс 1 венного комитета па изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производственнс-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101