CS260837B1

CS260837B1 - Method of thin-walled profile tube machine or structural components' surfaces thermal treatment

Info

Publication number: CS260837B1
Application number: CS8610035A
Authority: CS
Inventors: Jiri Halasek; Oldrich Honzik; Jiri Jodl; Milan Moravec; Ivanka Novakova; Pavel Stolar; Jaroslav Vacek
Original assignee: Jiri Halasek; Oldrich Honzik; Jiri Jodl; Milan Moravec; Ivanka Novakova; Pavel Stolar; Jaroslav Vacek
Priority date: 1986-12-28
Filing date: 1986-12-28
Publication date: 1989-01-12
Also published as: CS1003586A1

Abstract

Způsob transformačního zpevňování povrchů strojních nebo konstrukčních součástí zhotovených z litiny nebo kalitelných ocejí s místním, nejvýše 90 % zeslabením tluštky stěn. Vnější nebo vnitřní povrch zpraoovávané součásti se nejprve ohřívá laserovým nebo elektronovým paprskem do teplotní oblasti vzniku austenitu ve zpracovávaném materiálu a to do tlouštky nejvýše 80 % nejtenčí zpracovávané stěny. Austenitická oblast se poté ochladí rychlosti přesahující kritickou rychlost, tedy v závislosti na použitém materiálu, rychlostí vyšší než od 4.103 K.s“l do 1.10-1 K.s”1. Ochlazování austenitizované oblasti se provádí bud odvodem tepla do jádra nebo stěn součásti, popřípadě chladicím médiem, například proudem vzduchu nebo inertního plynu, například dusíku nebo argonu, nebo kapalného chladicího média, například vody, vodní emulze apod. Laserový nebo elektronový paprsek se při ohřevu součásti s výhodou vede po 10 až 100 % plochy zpracovávaného povrchu. Laserový nebo elektronový paprsek se vede v definovaných samostatných nebo vzájemně se protínajících drahách, například ve tvaru kroužků, šroubovic nebo axiálních rovnoběžných stůp.Transformation Strength Method surfaces of machine or structural components made of cast iron or hardenable steel with local, maximum 90% attenuation wall thicknesses. Outer or inner surface the processed part is first heated laser or electron beam to the temperature region of the austenite formation the material to be processed to the thickness not more than 80% of the thinnest processed wall. The austenitic region is then cooled at a rate exceeding the critical speed, ie depending on the material used, speed higher than 4.103 K.s -1 to 1.10-1 K.s ”1. Cooling an austenitized area is carried out either by dissipating heat into the core or part walls, possibly with cooling medium, for example, an air stream or an inert stream gas, such as nitrogen or argon, or liquid refrigerant, such as water, water emulsion, etc. Laser or electron the beam when heating the component with preferably, it yields 10 to 100% of the area to be treated surface. Laser or electron the beam is guided in defined separate or intersecting paths, for example in the form of rings, helices or axial parallel tracks.

Description

Vynález se týká způsobu tepelného zpracování povrchů tenkostěnných tvarovaných trubkovitých strojních nebo konstrukčních součásti s místním, nejvýše 90% zeslabením tloušťky stěn zhotovených z litiny nebo kalitelné oceli*The invention relates to a method of heat treating the surfaces of thin-walled shaped tubular machine or components with a local thickness reduction of not more than 90% made of cast iron or hardenable steel *

V současné době jsou trubkovité součásti v mnoha případeoh povrchově zušlechťovány za účelem zvýšení jejich odolnosti proti opotřebeni* Zvýšení odolnosti součástí z ocelí a litin se dosahuje zakalením jejich povrchu* Transformační vytvrzováni tenkostěnnýoh trubek, ktoré jsou na vnitřní nebo vnější straně opatřeny drážkou, popřípadě několika drážkami ztenčujícími miste! tloušťku stěny, je spojeno so značnými technologickými obtížemi* Dosavadní způsoby povrchového ohřevu, např* vysokofrekvenčním nebo středofrekvončním proudem, indukční metodou nebo ohřevy plamenem, nejsou ve většině případů užiti vhodné, protože rychlost ohřevu je relativně nízká a v důsledku intenzivního vedení tepla materiálem dochází k prohřevu celé součásti nebo i celého průřezu součásti, a to zejména v místech, kda je tloušťka její stěny ztenčena* Důsledkem toho je jednak nežádoucí prokaloní celého průřezu součásti nebo vytvoření konstrukčně nepřípustné tloušťky transformované oblasti*Nowadays, tubular parts are in many cases surface treated to increase their wear resistance * Increasing the resistance of steel and cast iron parts is achieved by hardening their surface * Transformation hardening of thin-walled tubes, which are provided with a groove or several grooves on the inside or outside thinning places! The existing surface heating methods, eg * high-frequency or medium-frequency current, induction method or flame heating, are in most cases not suitable because the heating rate is relatively low and due to intensive heat conduction through the material heating of the whole part or even the whole cross-section of the part, especially in places where its wall thickness is thinned *

Tím doohází k výraznému snížení houževnatosti celé součásti, popřípadě jejich částí* Tato skutečnost může vést rovněž k výrazným tvarovým deformacím nebo i k porušení součásti*This significantly reduces the toughness of the entire part or parts thereof * This fact can also lead to significant shape deformations or even failure of the part *

Uvedené nevýhody do značné míry odstraňuje způsob tepelného zpracováni povrohů tenkostěnných tvarovanýoh trubkovitých strojních nebo konstrukčních součásti s místním, nejvýše 90% zeslabením tloušťky stěn podle vynálezu, které jsou zhotovený z litiny nebo kalitelné oceli* Podstata vynálezu spočívá v tom, že. se vnější nebo vnitřní povroh zpracovávané součástí ohřívá laserovým nebo elektronovým paprskem;., do teplotní oblasti vzniku austenitu ve zpracovávaném materiálu součásti, a to do tloušťky nejvýše 80 % nejtenčí zpraoovávané stěny* Potem se auetenitioká oblastThe above disadvantages are largely eliminated by the method of heat treating thin-walled shaped tubular machine or structural parts with a local reduction of not more than 90% of the thickness of the walls of the invention made of cast iron or hardenable steel. the outer or inner surface of the workpiece is heated by a laser or electron beam; to a temperature area of austenite formation in the workpiece material, up to a thickness of not more than 80% of the thinnest wall to be processed

260 837260 837

-1 ochladl ryohlosti přesáhujíol kritiokeu rychlost* tedy v závislosti na použitém materiálu, ryohlosti vyšší než od 4· 103 K. s”í do 1. 10K. s · Ochlazováni austenitizované oblasti se s výhodou provádí bui odvodem tepla do jádra nebo stán součásti, nebo chladicím médiem* např· proudem vzduohu nebo inertního plynu* např· dusíku nebo argonu nebo kapalného chladicího média* např· vody* vodní emulze apod· Podle dalšího význaku se laserový nebo elektronový paprsek vede při ohřívání součásti po 10 až 100% plochy zpracovávaného povrchu· Podle posledního význaku vynálezu se laserový nebo elektronový paprsek vede v definovaných samostatných nebo vzájemně se protínájíoíoh draháoh, napři* klad ve tvaru kroužků* šroubovio nebo axiálních rovnoběžných stop·Thus, depending on the material used, the velocities are higher than from 4 · 103 K. s. To 1. 10K. The cooling of the austenitized area is preferably carried out either by dissipating heat to the core or tents of the component, or by cooling medium * e.g. air or inert gas * e.g. nitrogen or argon or liquid cooling medium * e.g. water * water emulsion etc. According to the last aspect of the invention, the laser or electron beam is guided in defined, separate or intersecting paths, for example in the form of rings * helical or axial parallel tracks ·

Výhody způsobu podle vynálezu se projevuji zejména ve zvýšené kvalitě zpracovávané součásti· S ohledem na vysokou rychlost ohřevu součásti intenzivním laserovým paprskem nebo elektronovým svazkem je austenitizovaná vrstva materiálu ve srovnání s klasickými metodami povrchového ohřevu, např. plamenem nebo indukčním ohřevem* relativně tenká· Nedochází tak k nežádouoímu prokalení, případně k zakaleni do přílišné hloubky, které by snižovalo dynamické vlastnosti součásti v místě konstrukčního ztenčeni· Způsob ohřevu strojních součásti laserem je přesně definovaný* časově i prostorově vymezený a umožňuje zakalit součást pouze v přesně definovaných oblasteoh· S ohledem na vysekou rychlost ohřevu je austenitizovaná vrstva materiálu relativně tenká* takže po následném oohlazení vzniká pouze tenká transformovaná vrstva s vyšší odolností proti opotřebeni, než má základni materiál· Výhodou způsobu podle vynálezu je také skutečnost* že je možno tloušlku vrstvy vytvořené transformačním zplněním na jedné součásti řídit nebo řízené měnit, a to v závislosti na celkové tlouštce stěny pod zpracovávanou vrstvou· Technologický postup podle vynálezu je plně automatizovatelný· Zpracované součásti se vAdvantages of the method according to the invention are manifested in particular in the improved quality of the workpiece. Due to the high rate of heating of the workpiece by an intense laser beam or electron beam, the austenitized material layer is relatively thin compared to conventional surface heating methods. · the way of heating of machine parts by laser is precisely defined * temporally and spatially defined and allows to harden the part only in precisely defined areas · with regard to high speed the austenitized layer of material is relatively thin * so that after subsequent cooling only a thin transformed layer with a higher wear resistance than the base material is produced. according to the invention it is also possible to control or change the thickness of the layer formed by the transformation filler on one component, depending on the total wall thickness under the layer being processed. · The technological process according to the invention is fully automated.

2fií) 837 < 3 «· důsledku relativně malého objemu transformačně zpevněného materiálu vyznačují po transformačním zpevněni nízkými deformacemi.As a result of the relatively small volume of the transformation-reinforced material, they exhibit low deformations after transformation-reinforcement.

Zp&eob tepelného zpracování podle vynálezu je objasněn v příkladech 1 až 5·The heat treatment method of the invention is illustrated in Examples 1 to 5.

Příklad 1Example 1

Transformační zpevnění vnějěího povrchu náboje řemenice spalovacího motoru, zhotovené ze šedé litiny se provádí za účelem zvýěení povrchové tvrdosti a odolnosti vnějěího povrohu náboje proti opotřebení* Stěna náboje je zeslabena drážkou pro pero, takže stěna má v úseku zeslabeni tloušlkuTransformative reinforcement of the outer hub surface of the internal combustion engine pulley made of gray cast iron is performed to increase the surface hardness and wear resistance of the outer surface of the hub.

3,5 mm. Vnější povroh řemenice se ve funkční oblasti ohřívá fokusovaným laserovým.paprskem o výkonu 2 KW. Paprsek je fokusován zrcadlem a jo rastrováním zrcadla rozveden na plochu 4 x β mm* Teplota povrchu náboje řemenice dosáhne laserovým ohřevem hodnoty 910 °C, která leží v austenitické oblasti pro tento materiál* Hloubka vrstvy prohřáté nad austenitizačni teplotu činí 0,3 mm, tj. 8,6 % nejtenčího místa stěny náboje řemenice* Ohřátý materiál se pote»» chladí odvodem tepla do jádra za současného přichlazováni povrchu náboje proudem dusíku* Rychlost ochlazováni je v jeho počátku 6.10³ K.s¹. Fokusovaný a rastrovaný paprsek je veden po povrchu náboje stopami ve tvaru kroužků, překrývajících se svými okraji o 1 mm a na svých konoích oblasti o středovém úhlu 7°* Zpracovávaná funkční plocha má tvar kroužků a tvoři 50 % celkové plochy náboje řemenice*3.5 mm. The outer surface of the pulley is heated in the functional area by a focused 2 KW laser beam. The beam is focussed by the mirror and is scanned to 4 x β mm by scanning the mirror. * The surface temperature of the pulley hub reaches 910 ° C by laser heating, which lies in the austenitic area for this material. 8.6% of the thinnest point of the pulley hub wall * The heated material is then cooled by dissipating heat to the core while cooling the charge surface with a stream of nitrogen * The cooling rate at its beginning is 6.10 ³ Ks ¹ . The focused and rasterized beam is guided along the surface of the hub by tracks in the form of rings overlapping by 1 mm at their edges and at their ends by a 7 ° center angle area *

Příklad 2Example 2

Transformační zpevněni vnějěího povrchu hřídele s vnitřními drážkami, vyrobeného z uhlíkové oceli s 0,5 % C* Způsob tepelného zpracování spočívá ve vedeni laserového svazku oTransformation hardening of the outer surface of the shaft with internal grooves, made of carbon steel with 0.5% C *

260 837 výkonu 1 KW fokusovaného čočkou na plošku o průměru 2 mm ve šroubovicovitých, vzájemné ae protínajících draháoh se sklonem 30 % tak, aby struktura v mlsteoh dopadu paprsku byla austenitizována, tj· pevrohevá teplota činí 850°C·260 837 power of 1 KW focussed on a 2 mm diameter spot in helical, intersecting and intersecting orbit with a 30% slope so that the structure in the mist of the incidence of the beam is austenitized, ie,

Hloubka transformované oblasti je 0,5 mm, tj· 20 % tanči —1 tloušťky stény· Zakalení proběhne ryohlostl nad 2· 10 K_as odvodem tepla do stěn hřídel·· Celkový plošný podíl transformované oblastí na povrchu hřídele je 73 %·The depth of the transformed area is 0.5 mm, ie · 20% of the dance —1 wall thickness · Turbidity takes place over 2 · 10 K _and with heat dissipation to the shaft walls · · The total area of the transformed area on the shaft surface is 73% ·

Přiklad 3Example 3

Transformační zpevnění dutého hřídel· zhotoveného z chroouaanganové ooelí a opatřeného vnějšími drážkami·Transformation reinforcement of hollow shaft · made of chroouangan oel and outer grooves ·

Tloušťka transformované oblasti dosahuj· 2 mm, tj· 50 % stěny v oblasti drážek* Tepelné zpracováni probíhá, tak* že se vnitřní povrch ve funkční oblasti ohřívá laserovým paprskem o výkonu 1,5 KW fokusovaným zroadlom na plošku 2 x 8 mm do oblasti vzniku austoniku, tj· na teplotu 900 ⁰ C a potoni se odvodem tepla rychlosti vyšší než 2·10 K.s do materiálu zakalí za současného dochlazováni povrohu argonem· Dráhy laserového paprsku mají tvar nepřetínájíoioh se šroubovio, kterýoh je na povrohu hřídele umístěno 10·Thickness of the transformed area reaches · 2 mm, ie · 50% of the wall in the groove area * Heat treatment takes place so that the inner surface in the functional area is heated by a 1.5 KW laser beam focused on the 2 x 8 mm spot to the area to a temperature of 900 ^° C and the temperature of the heat dissipation is higher than 2 · 10 Ks to turbidity into the material while cooling the argon surface. · The laser beam paths do not overlap with the helix which is located on the shaft surface.

Příklad 4Example 4

Transformační zpevněni vnitřního a vnějšího povrohu dutého hřídele» zhotoveného z ohromuiklové ooelí e složení 0,8 % chrómu, 3,5 % niklu · 0,35 % uhlíku s vnějšími i vnitřními drážkami ve funkčních oblastech· Laserovým paprskem o výkonu 1,2 KW fokusovaným zrcadlem do plošky 3 z 5 mm jsou funkční místa austenitizována na teplotu 930° až 970 °C, potom proběhne zakaleni obvodem tepla do objemu materiálu součástí· Rychlost ochlazováni na povrohu je 2·10 K«s · Tloušťka austenitizované a následně transformované oblasti dosahuje 10 % tloušťky nejtenčí stěny· Vnitřní povrch hřídele je kalen poTransformation reinforcement of inner and outer surface of hollow shaft »made of chrome-nickel grade with 0.8% chromium, 3.5% nickel · 0.35% carbon with external and internal grooves in functional areas · 1.2 KW laser beam focused 3 to 5 mm the functional points are austenitized to a temperature of 930 ° to 970 ° C, then the heat is quenched into the volume of the material part · Cooling speed on the surface is 2 · 10 K «s · % of the thinnest wall thickness · The inner surface of the shaft is hardened by

260 837 * ί celé plode· Jednotlivé stopy jsou rovnoběžné s osou hřídele • překrývají so o 1 mm své šířky· Vnějěí povrch jo kalen rovněž 100 % so stojným zpftsobom kladení stop·260 837 * ί whole fruit · The individual tracks are parallel to the axis of the shaft • they overlap by 1 mm of their width · Outer surface is also hardened 100% with standing way of laying the tracks ·

Příklad 5Example 5

Transformační zpevnění vnějšího povrchu náboje řemonioe spalovacího motoru, vyrobené ze šedé litiny· Transformační zpevnění so provede za účelem zvýšení povrchové tvrdosti a odolnosti náboje proti opotřebeni ve funkční oblasti·Transformation reinforcement of the outer surface of the charge engine combustion engine made of gray cast iron · Transformation reinforcement is performed to increase the surface hardness and wear resistance of the hub in the functional area ·

Stěna náboje je zeslabena drážkou pro pero· Vnější povrch řemenice je vo funkční oblastí zahříván elektronovým paprskem o výkonu 5 KW, který je promítán na plochu 2 x 10 mm* Teplota povrchu řemonioe dosáhne tímto ohřevem hodnoty 910 °C a hloubka oblasti materiálu přesahující austonitizačni teploty jo 0,7 mm, tj· 20 % nejtenčího místa stěny náboje řemonioe· Ohřátý materiál jo oohlazován odvodom tepla do jádra materiálu ryohlosti 1*10* K«s**^ na počátku ochlazování» Elektronový povroh se vodo po povrohu řemenice ve stopě tvaru kroužku· Překryv začátku a konce stopy činí 3 mm·The outer wall of the pulley is heated by a 5 KW electron beam in the functional area, which is projected onto a 2 x 10 mm area * The surface temperature of the pulley reaches 910 ° C and the depth of the material area exceeds the austonitizing temperature yo 0.7 mm, ie · 20% thinnest point of the charge wall wall · Warmed material yawed by heat dissipation to the core of the material velocity 1 * 10 * K «s ** ^ at the start of cooling» · Overlap of the beginning and end of the track is 3 mm ·

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

260 837

Method for heat treating thin-walled tubular machine or component surfaces with local, not more than 90% reduction in wall thickness made of cast iron or hardenable steel, characterized in that the outer or inner surface of the treated part is heated by laser or electron beam to the temperature zone austonite in the component material being processed, up to a thickness of not more than 80% of the thinnest wall to be treated, then the austonitrile region is cooled at a rate exceeding the critical speed, i.e. depending on the material used, ¹ Pcs ¹ ·

2. A method according to claim 1, characterized in that cooling of the austenitized region is effected by heat removal into the core or wall of the component.

3. The method according to claim 1, wherein the cooling is carried out with a cooling medium, e.g. a stream of air or an inert gas, e.g. nitrogen or argon or a liquid cooling medium, e.g. water, water emulsion and the like.

4, The method of 1 ee. 3, characterized in that the laser or electron beam is watered for 10 to 100% of the surface area to be treated,

5. A method according to claims 1 to 4, characterized in that the laser or electron beam is water-wise in defined individual or mutually intersecting paths, e.g. in the form of rings, helices or axial parallel tracks.