RU1767886C - Steel pieces hardening method - Google Patents

Steel pieces hardening method Download PDF

Info

Publication number
RU1767886C
RU1767886C SU4892235A RU1767886C RU 1767886 C RU1767886 C RU 1767886C SU 4892235 A SU4892235 A SU 4892235A RU 1767886 C RU1767886 C RU 1767886C
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
electron beam
microhardness
layer
steel
surface layer
Prior art date
Application number
Other languages
Russian (ru)
Inventor
С.И. Белюк
И.М. Гончаренко
В.И. Итин
И.С. Кашинская
С.В. Лыков
Г.Е. Озур
Д.И. Проскуровский
В.П. Ротштейн
Original Assignee
Институт сильноточной электроники СО РАН
Сибирский физико-технический институт
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Институт сильноточной электроники СО РАН, Сибирский физико-технический институт filed Critical Институт сильноточной электроники СО РАН
Priority to SU4892235 priority Critical patent/RU1767886C/en
Application granted granted Critical
Publication of RU1767886C publication Critical patent/RU1767886C/en

Links

Images

Landscapes

  • Welding Or Cutting Using Electron Beams (AREA)

Abstract

FIELD: surface thermal treatment. SUBSTANCE: before numerical heatings of surface layer by pulses of high power current electronic beam piece is subjected to preliminary heating by continuous electronic beam with power density of q = (2V/d)ρ·H(СТmelt+L), with V electronic beam motion speed; d the beam diameter; H given thickness of melted surface layer; ρ, C, Tmelt and L density, thermal capacity, melting temperature and specific temperature of treated steel melting correspondingly. EFFECT: steel pieces hardening method is effective in surface thermal treatment. 1 tbl

Description

Изобретение относится к термической обработке поверхности конструкционных материалов и изделий из них высококонцентрированными потоками энергии и является усовершенствованием известного способа упрочнения стальных изделий. The invention relates to heat treatment of the surface of structural materials and products from them with highly concentrated energy flows and is an improvement of the known method of hardening steel products.

Известный способ заключается в том, что поверхность изделий многократно нагревают до температуры закалки импульсами сильноточного электронного пучка с параметрами:
длительность импульса (0,5-3).10-6 с;
энергия электронов 10-50 кэВ;
плотность энергии 2-5 Дж/см2.
The known method consists in the fact that the surface of the products is repeatedly heated to the hardening temperature by pulses of a high-current electron beam with the parameters:
pulse duration (0.5-3) . 10 -6 s;
electron energy 10-50 keV;
energy density 2-5 J / cm 2 .

Число импульсов N 150-300, а интервал между ними выбирается не менее значения
τo

Figure 00000001
, (1) где q плотность энергии пучка, Дж/см2;
ρ, c, a соответственно плотность в кг/см3, удельная теплоемкость, Дж/кг.К, и коэффициент температуропроводности стали, см2/с;
То исходная температура изделия, оС;
Т1 температура отпуска стали, оС.The number of pulses N 150-300, and the interval between them is selected at least
τ o
Figure 00000001
, (1) where q is the beam energy density, J / cm 2 ;
ρ, c, a, respectively, density in kg / cm 3 , specific heat, J / kg . K, and thermal diffusivity of steel, cm 2 / s;
T about the initial temperature of the product, about C;
T 1 temperature tempering steel, about C.

Недостатком этого способа является то, что максимальные значения микротвердости в зависимости от марки стали не превышают 1400-1700 кг/мм2, что ограничивает ее возможности.The disadvantage of this method is that the maximum values of microhardness, depending on the grade of steel, do not exceed 1400-1700 kg / mm 2 , which limits its capabilities.

Целью изобретения является улучшение качества изделий за счет повышения микротвердости упрочненного слоя. The aim of the invention is to improve the quality of products by increasing the microhardness of the hardened layer.

Для этого в известном способе по авт.св. N 1682403, предварительно перед многократным нагревом поверхности слоя импульсами сильноточного электронного пучка его нагревают непрерывным электронным пучком с плотностью мощности, равной
q

Figure 00000002
ρH(CTпл+L), (2) где V скорость движения электронного пучка;
d его диаметр;
H заданная толщина оплавленного поверхностного слоя;
Тпл и L температура плавления и удельная теплота плавления обрабатываемой стали соответственно.To do this, in a known manner according to ed. N 1682403, previously before multiple heating of the layer surface by pulses of a high-current electron beam, it is heated by a continuous electron beam with a power density equal to
q
Figure 00000002
ρH (CT PL + L), (2) where V is the velocity of the electron beam;
d is its diameter;
H is the predetermined thickness of the fused surface layer;
T PL and L melting temperature and specific heat of fusion of the processed steel, respectively.

Основным фактором, определяющим увеличение микротвердости, является волна напряжений, которая распространяется от облученной поверхности вглубь изделия. Источник возбуждения волны напряжений эффект термоупругости, вызванный быстрым расширением поверхностного слоя, разогретого до высоких температур при облучении материала сильноточным электронным пучком. Взаимодействие волны напряжений с кристаллической решеткой материала мишени приводит к повышению плотности дефектов в области ее распространения. Многократное нагружение поверхностных слоев волной напряжений при увеличении числа импульсов облучения обеспечивает эффект накопления дефектов и, соответственно, рост степени упрочнения зоны (повышение микротвердости). При числе импульсов 150-300 и параметрах сильноточного электронного пучка, указанных в основном изобретении, достигается максимально возможная плотность дефектов для заданного сорта стали и, соответственно, высокая микротвердость. The main factor determining the increase in microhardness is the stress wave, which propagates from the irradiated surface into the interior of the product. The source of stress wave excitation is the effect of thermoelasticity caused by the rapid expansion of the surface layer heated to high temperatures when the material is irradiated with a high-current electron beam. The interaction of the stress wave with the crystal lattice of the target material leads to an increase in the density of defects in the region of its propagation. Multiple loading of surface layers by a stress wave with an increase in the number of irradiation pulses provides the effect of accumulation of defects and, accordingly, an increase in the degree of hardening of the zone (increase in microhardness). With the number of pulses 150-300 and the parameters of the high-current electron beam specified in the main invention, the maximum possible defect density for a given steel grade and, accordingly, high microhardness are achieved.

Предварительная обработка поверхностного слоя стального изделия непрерывным электронным пучком приводит к расплавлению поверхностного слоя на заданную глубину и последующему его резкому охлаждению (закалке из жидкого состояния). В результате в поверхностном слое формируется очень дисперсная структура закалки, которая обеспечивает, например, для поверхности стали У7А микротвердость Н 1080 кг/мм2 (табл.), что на ≈ 400 кг/мм2 выше микротвердости стали, закаленной традиционным способом, и в несколько раз больше, чем микротвердость стали в состоянии поставки (≈ 200 кг/мм2).Pretreatment of the surface layer of the steel product with a continuous electron beam leads to the melting of the surface layer to a predetermined depth and its subsequent sharp cooling (quenching from a liquid state). As a result, a very dispersed quenching structure is formed in the surface layer, which provides, for example, for the surface of U7A steel, microhardness N 1080 kg / mm 2 (table), which is ≈ 400 kg / mm 2 higher than the microhardness of steel quenched in the traditional way, and in several times greater than the microhardness of steel in the delivery state (≈ 200 kg / mm 2 ).

Плотность мощности q, необходимую для плавления поверхностного слоя заданной глубины непрерывным электронным пучком, определяют следующим образом. The power density q necessary for melting the surface layer of a given depth by a continuous electron beam is determined as follows.

При перемещении по поверхности бесконечной металлической пластины электронного луча связь между его параметрами и геометрическими размерами расплавленной зоны можно найти из соотношения [2]
ηтQd=(πB2/4)H˙ρ(CTпл+L), (3) где Q I˙U˙ηU/V погонная энергия;
I ток пучка;
U ускоряющее напряжение;
V скорость перемещения луча;
ηu эффективный КПД процесса обработки, ηU ε12;
ε1 энергия, введенная в поверхностные слои мишени;
ε2 энергия, подводимая к поверхности мишени;
d диаметр электронного луча;
В ширина оплавленного поверхностного слоя;
Н заданная толщина оплавленного поверхностного слоя;
Тпл температура плавления обрабатываемого материала;
L удельная теплота плавления обрабатываемого материала;
С теплоемкость обрабатываемого материала;
ηт термический КПД процесса обработки, ηт ε31;
ε3 часть введенной в материал энергии, израсходованная на его плавление.
When moving along the surface of an infinite metal plate of an electron beam, the relationship between its parameters and the geometric dimensions of the molten zone can be found from the relation [2]
η t Qd = (πB 2/4) H˙ρ (CT pl + L), (3) where QI˙U˙η U / V heat input;
I beam current;
U accelerating voltage;
V is the speed of the beam;
η u effective efficiency of the processing process, η U ε 1 / ε 2 ;
ε 1 is the energy introduced into the surface layers of the target;
ε 2 energy supplied to the target surface;
d is the diameter of the electron beam;
The width of the fused surface layer;
H specified thickness of the fused surface layer;
T pl the melting temperature of the processed material;
L specific heat of fusion of the processed material;
With the heat capacity of the processed material;
η t thermal efficiency of the processing process, η t ε 3 / ε 1 ;
ε 3 part of the energy introduced into the material spent on its melting.

Выражение (3), полученное для любых концентрированных потоков безотносительно условий теплового режима в зоне обработки может быть записано в более простом виде, исходя из условий поверхностной закалки сталей из расплава. Так, например, скорости охлаждения Vo (104-105) К/с, необходимые для формирования высокопрочных слоев при закалке из жидкой фазы, обеспечиваются в случае, если толщина расплавленного слоя не превышает 500 мкм. Наши эксперименты показали, что при этом величина В практически не отличается от величины диаметра электронного луча d. Известно также [2] что максимальное теоретическое значение ηТ 0,484, а его экспериментально измеренные значения для электронных пучков находятся в пределах ηТ (0,43-0,52). Величину η4 для электронных пучков считают равной единице.Expression (3) obtained for any concentrated flows regardless of the thermal conditions in the treatment zone can be written in a simpler form, based on the conditions of surface hardening of steels from the melt. So, for example, cooling rates V o (10 4 -10 5 ) K / s, necessary for the formation of high-strength layers during quenching from the liquid phase, are provided if the thickness of the molten layer does not exceed 500 μm. Our experiments showed that in this case, the value of B does not practically differ from the value of the diameter of the electron beam d. It is also known [2] that the maximum theoretical value of η T is 0.484, and its experimentally measured values for electron beams are in the range of η T (0.43-0.52). The value η 4 for electron beams is considered equal to unity.

Таким образом, принимая В d, ηT 0,5, ηU 1 и подставляя их значения в (3) получаем
q

Figure 00000003
H·ρ(CTпл+L).Thus, taking B d, η T 0.5, η U 1 and substituting their values in (3), we obtain
q
Figure 00000003
H ρ (CT pl + L).

Дальнейший нагрев поверхности до температуры закалки импульсами сильноточного пучка (условия нагрева выбраны в соответствии с (1) приводит к дальнейшему повышению качества поверхности: значения микротвердости увеличиваются для стали У7А с 1080 до 1850 кг/мм2, а для стали ШХ15 с 1220 до 1920 кг/мм2 (табл.).Further heating of the surface to the temperature of quenching by pulses of a high-current beam (heating conditions selected in accordance with (1) leads to a further increase in surface quality: microhardness values increase for U7A steel from 1080 to 1850 kg / mm 2 , and for steel ШХ15 from 1220 to 1920 kg / mm 2 (tab.).

Возрастание микротвердости обусловлено тем, что многократное нагружение волной напряжения закаленного из расплава поверхностного слоя, обладающего очень дисперсной структурой, приводит к существенному накоплению дефектов, возможно, изменение химического состава приграничных зон и в результате к повышению микротвердости (таблица). The increase in microhardness is due to the fact that repeated loading by a voltage wave of a surface layer quenched from the melt, which has a very dispersed structure, leads to a significant accumulation of defects, possibly a change in the chemical composition of the boundary zones and, as a result, an increase in microhardness (table).

П р и м е р 1. Образцы изделий из стали У7А после термической закалки и отпуска помещали в камеру электронно-лучевой установки, где их поверхность облучали непрерывным электронным пучком. Заданная толщина оплавленного слоя составляла 180 мкм. Для получения такой толщины оплавленного слоя в соответствии с выражением (2) были выбраны следующие параметры электронного пучка: ускоряющее напряжение U 35 кВ, ток пучка I 80 мА, диаметр пучка на поверхности образца d 3 мм, плотность мощности q 3,8.104 Вт/см2. Скорость перемещения пучка составляла V0,42 м/с. Оплавленный слой имел характерное дендритное строение и четкую границу с исходной структурой. Толщина этого слоя, определенная металлографически, хорошо согласуется с заданной в формуле (2).EXAMPLE 1. Samples of U7A steel products after thermal hardening and tempering were placed in a chamber of an electron-beam installation, where their surface was irradiated with a continuous electron beam. The predetermined thickness of the fused layer was 180 μm. To obtain such a thickness of the melted layer in accordance with expression (2), the following parameters of the electron beam were chosen: accelerating voltage U 35 kV, beam current I 80 mA, beam diameter on the sample surface d 3 mm, power density q 3.8 . 10 4 W / cm 2 . The beam velocity was V0.42 m / s. The fused layer had a characteristic dendritic structure and a clear boundary with the initial structure. The thickness of this layer, determined metallographically, agrees well with that specified in formula (2).

После облучения непрерывным электронным пучком образцы переносили в камеру другой электронно-лучевой установки, где их поверхность дополнительно обрабатывали импульсным сильноточным электронным пучком с энергией электронов еU30 кэВ, длительностью импульса τU1 мкс, плотностью энергии в пучке q 3 Дж/см2. Интервал между импульсами в соответствии с выражением (1) составлял 10 с, число импульсов N меняли от 20 до 300.After irradiation with a continuous electron beam, the samples were transferred to the chamber of another electron-beam installation, where their surface was additionally treated with a pulsed high-current electron beam with electron energy eU30 keV, pulse duration τ U 1 μs, and energy density q 3 J / cm 2 in the beam. The interval between pulses in accordance with expression (1) was 10 s, the number of pulses N was changed from 20 to 300.

После обработки образцы вынимали из камеры, разрезали в направлении, перпендикулярном поверхности облучения. После шлифовки измеряли микротвердость на поверхности и на различных расстояниях от поверхности с помощью прибора ПМТ-3 при нагрузке 50 г. After processing, the samples were removed from the chamber, cut in the direction perpendicular to the irradiation surface. After grinding, microhardness was measured on the surface and at various distances from the surface using the PMT-3 device at a load of 50 g.

За толщину упрочненного слоя принимали расстояние от облучаемой поверхности, где микротвердость максимальна, до места, где микротвердость равна микротвердости до облучения. При обработке образцов одним только непрерывным электронным пучком толщина упрочненного слоя практически равна толщине оплавленного слоя из-за резкой границы зоны расплава с исходной структурой. Последующая дополнительная циклическая обработка импульсным сильноточным электронным пучком приводит к существенному увеличению микротвердости в оплавленном слое и увеличению толщины упрочненного слоя. Результаты такой обработки приведены в таблице: максимальная микротвердость на поверхности Hμ 1850 кг/мм2, толщина упрочненного слоя 230 мкм.The thickness of the hardened layer was taken as the distance from the irradiated surface, where the microhardness is maximum, to the place where the microhardness is equal to the microhardness before irradiation. When processing samples with a continuous electron beam alone, the thickness of the hardened layer is almost equal to the thickness of the melted layer due to the sharp boundary of the melt zone with the initial structure. Subsequent additional cyclic treatment with a pulsed high-current electron beam leads to a significant increase in microhardness in the melted layer and an increase in the thickness of the hardened layer. The results of such processing are shown in the table: maximum microhardness on the surface H μ 1850 kg / mm 2 , the thickness of the hardened layer 230 μm.

П р и м е р 2. Образцы изделий из стали ШХ15 после термической закалки и отпуска помещали в камеру электронно-лучевой установки, где их поверхность облучали непрерывным электронным пучком. Заданная толщина расплавленного слоя составляла 170 мкм. Для получения такой толщины оплавленного слоя в соответствие с выражением (2) были выбраны следующие параметры электронного пучка: U 43 кВ, I 160 мА, d 3 мм. При этих параметрах плотность мощности q 9,8.104 Вт/см2. Скорость перемещения пучка V 1,25 м/с.PRI me R 2. Samples of products made of steel ШХ15 after thermal hardening and tempering were placed in the chamber of an electron-beam installation, where their surface was irradiated with a continuous electron beam. The predetermined thickness of the molten layer was 170 μm. To obtain such a thickness of the melted layer in accordance with expression (2), the following parameters of the electron beam were chosen: U 43 kV, I 160 mA, d 3 mm. With these parameters, the power density q is 9.8 . 10 4 W / cm 2 . The velocity of the beam V 1.25 m / s.

После облучения непрерывным электронным пучком поверхность образцов дополнительно обрабатывали импульсным электронным пучком с параметрами eU 30 кэВ, τU 1 мкс, q 3 Дж/см2. Интервал между импульсами в соответствии с выражением (1) составлял 12 с. Число импульсов N изменяли от 20 до 200.After irradiation with a continuous electron beam, the surface of the samples was additionally treated with a pulsed electron beam with parameters eU 30 keV, τ U 1 μs, q 3 J / cm 2 . The interval between pulses in accordance with expression (1) was 12 s. The number of pulses N was varied from 20 to 200.

Облученные образцы изучали таким же образом, как в примере 1. Получены следующие результаты: максимальная микротвердость на поверхности Hμ 1920 кг/мм2, толщина упрочненного слоя 320 мкм.The irradiated samples were studied in the same manner as in Example 1. The following results were obtained: maximum microhardness on the surface H μ 1920 kg / mm 2 , the thickness of the hardened layer 320 μm.

Таким образом, предложенная в качестве усовершенствования предварительная обработка позволила получать упрочненные слои с микротвердостью на поверхности на ≈ 30% выше, чем в основном изобретении, одновременно время обработки сокращено в 2-3 раза за счет сокращения числа импульсов. Thus, the preliminary processing proposed as an improvement made it possible to obtain hardened layers with microhardness on the surface by ≈ 30% higher than in the main invention, while the processing time was reduced by a factor of 2–3 due to a reduction in the number of pulses.

Claims (1)

СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ по авт. св. N 1682403, отличающийся тем, что, с целью повышения качества изделий за счет увеличения микротвердости упрочненного слоя, предварительно перед многократным нагревом поверхностного слоя импульсами сильноточного электронного пучка его нагревают непрерывным электронным пучком с плотностью мощности q, равной
Figure 00000004

где v скорость движения электронного пучка;
d диаметр пучка;
H заданная толщина оплавленного поверхностного слоя;
ρ,C,Tпли L плотность, теплоемкость, температура плавления и удельная теплота плавления обрабатываемой стали соответственно.
METHOD FOR STRENGTHENING STEEL PRODUCTS by ed. St. N 1682403, characterized in that, in order to improve the quality of products by increasing the microhardness of the hardened layer, prior to repeated heating of the surface layer by pulses of a high-current electron beam, it is heated by a continuous electron beam with a power density q equal to
Figure 00000004

where v is the velocity of the electron beam;
d beam diameter;
H is the predetermined thickness of the fused surface layer;
ρ, C, T pl and L density, specific heat, melting temperature and specific heat of fusion of the processed steel, respectively.
SU4892235 1990-10-15 1990-10-15 Steel pieces hardening method RU1767886C (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU4892235 RU1767886C (en) 1990-10-15 1990-10-15 Steel pieces hardening method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU4892235 RU1767886C (en) 1990-10-15 1990-10-15 Steel pieces hardening method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU1767886C true RU1767886C (en) 1995-06-27

Family

ID=30442018

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU4892235 RU1767886C (en) 1990-10-15 1990-10-15 Steel pieces hardening method

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU1767886C (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2462516C2 (en) * 2010-11-13 2012-09-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова" Method of surface treatment of products of heat resisting alloys

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Авторское свидетельство СССР N 1682403, кл. C 21D 1/09, 1989. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2462516C2 (en) * 2010-11-13 2012-09-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова" Method of surface treatment of products of heat resisting alloys

Similar Documents

Publication Publication Date Title
IL46078A (en) Method of case-alloying metals such as steel or cast iron
RU1767886C (en) Steel pieces hardening method
Shulov et al. Termomechanical processing of titanium alloys by high power pulsed ion beams
JP3091059B2 (en) How to strengthen steel
RU2118381C1 (en) Process hardening hard-alloy tool
SU1682403A1 (en) Method of hardening steel products
RU2162111C2 (en) Method for strengthening metallic surfaces
Li et al. Laser surface treatment of high‐phosphorus cast iron
RU2125615C1 (en) Method of surface treatment of articles made of structural alloys
Schiller et al. Surface modification by electron beams
RU2009272C1 (en) Method for hardening steel products
KR0160012B1 (en) Process for hardening the surface of carbon steel by irradiating accelerated electron beam
RU1670968C (en) Method for steel articles treatment
Danileĭko et al. Heat hardening of steel by pulse-periodic laser radiation
SU1548218A1 (en) Method of surface thermal strengthening of steel articles
SU1752514A1 (en) Method of treatment of tungsten-cobalt hard alloy tools
SU1498795A1 (en) Method of thermal hardening of articles
Burov et al. Impact of Local Weld Pool Zones on the Heterogeneous Material Structure
RU2276191C1 (en) Method of surface strengthening of metals
RU2088389C1 (en) Method of electron beam cutting
Gureev Laser—ultrasonic formation of melts of high-speed tool steels
KR950006270B1 (en) Surface hardening method of carbon steel with electro beam
RU2025505C1 (en) Method to treat items of metals and alloys
JP3091060B2 (en) How to strengthen steel
Brover et al. Physical Aspects of Laser Steel Processing in the Magnetic Field