RU2025505C1

RU2025505C1 - Method to treat items of metals and alloys

Info

Publication number: RU2025505C1
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Михайлович Гуреев; Сергей Иванович Медников; Сергей Викторович Ямщиков
Original assignee: Дмитрий Михайлович Гуреев; Сергей Иванович Медников; Сергей Викторович Ямщиков
Priority date: 1991-12-20
Filing date: 1991-12-20
Publication date: 1994-12-30

Abstract

FIELD: metallurgy, treatment of metals and alloys. SUBSTANCE: source of high energy density is used to heat an item surface concurrently with imposition of ultrasonic. Laser beam may be used as the source to heat it up to the temperatures not exceeding Ac₁, and then the item is cooled. Specific stress state is formed in the zone of combined influence. The stress state enables to speed up all processes needing thermal activation for its development. EFFECT: improved properties of metals and alloys.

Description

Изобретение относится к обработке металлов и их сплавов с помощью концентрированных источников энергии. The invention relates to the processing of metals and their alloys using concentrated energy sources.

Известен способ подготовки функциональных слоев (авторское свидетельство ЧССР N 238436, кл. C 21 D 1/09), заключающийся в нагреве поверхности изделий, изготовленных из металлов и их сплавов до температуры аустенизации источником с высокой плотностью энергии с одновременным воздействием на изделие ультразвуковых колебаний в диапазоне 15-213 кГц в непрерывном или импульсном режиме. Целью этого изобретения является повышение твердости. A known method of preparing functional layers (copyright certificate of Czechoslovakia N 238436, class C 21 D 1/09), which consists in heating the surface of products made of metals and their alloys to austenization temperature with a source of high energy density with simultaneous exposure to the product of ultrasonic vibrations in the range of 15-213 kHz in continuous or pulsed mode. The aim of this invention is to increase hardness.

К существенным недостаткам этого способа относится то, что повышение твердости осуществляется только за счет нагрева до температуры аустенизации, хотя известно, что для ряда материалов повышение твердости достигается и при более низких температурах, например, в процессе отпуска и старения. Significant disadvantages of this method include the fact that the increase in hardness is carried out only by heating to the temperature of austenization, although it is known that for a number of materials the increase in hardness is also achieved at lower temperatures, for example, during tempering and aging.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ термообработки высокоуглеродистых, преимущественно подшипниковых сталей, включающий в себя нагрев до температуры в интервале А_С1-А_СТ с одновременным наложением ультразвуковых колебаний [1]. В данном способе также предусматривается наложение ультразвуковых колебаний в процессе выдержки или охлаждения при температуре на 20-30^оС ниже А_С1. В результате предлагаемой обработки ускоряется сфероидизация карбидов.Closest to the claimed invention is a method of heat treatment of high carbon, mainly bearing steels, which includes heating to a temperature in the range A _C1- A _ST with the simultaneous application of ultrasonic vibrations [1]. This method also provides for the imposition of ultrasonic vibrations during exposure or cooling at a temperature of 20-30 ^about C below A _C1 . As a result of the proposed treatment, the spheroidization of carbides is accelerated.

Недостатком такого способа является то, что для осуществления сфероидизации карбидов предлагается нагрев только до температур на 20-30^оС ниже А_С1, хотя в ряде сплавов сфероидизация карбидов может происходить и при более низких температурах. Основным недостатком данного способа является существенная продолжительность процесса обработки, связанная с невысокими скоростями нагрева и охлаждения, а также выдержкой при температуре нагрева.The disadvantage of this method is that for spheroidizing carbides serves only heating to a temperature of 20-30 ^{° C} below A _C1, although in some alloys spheroidization of carbides, and can occur at lower temperatures. The main disadvantage of this method is the significant duration of the processing process associated with low speeds of heating and cooling, as well as exposure at a heating temperature.

Цель изобретения состоит в сокращении длительности структурно-фазовых превращений, протекающих в металлах и их сплавах при нагреве до температур ниже температуры аустенизации. The purpose of the invention is to reduce the duration of structural-phase transformations occurring in metals and their alloys when heated to temperatures below the austenization temperature.

Это достигается тем, что в способе обработки изделий из металлов и их сплавов, включающем нагрев поверхности изделий ниже температуры аустенизации с одновременным воздействием ультразвуковыми колебаниями, нагрев осуществляют источником с высокой плотностью энергии, например, лучом лазера. This is achieved by the fact that in the method of processing metal products and their alloys, including heating the surface of the products below the austenization temperature with simultaneous exposure to ultrasonic vibrations, the heating is carried out by a source with a high energy density, for example, a laser beam.

Для предлагаемого технического решения и его признаков характерно следующее отличительное свойство. Наложение на металлы и их сплавы ультразвуковых колебаний и одновременный нагрев их источником с высокой плотностью энергии в интервале температур, не превышающем температуру аустенизации, приводит к формированию в объеме особого напряженного состояния, характеризующегося интенсивными процессами размножения, взаимодействия и движения дислокаций, и других дефектов кристаллического строения. В результате этого, несмотря на относительно невысокий нагрев, структурно-фазовые превращения, процессы типа диффузии и рекристаллизации, требующие для своего развития термической активации, резко ускоряются и протекают за очень малое время. The following technical characteristic is characteristic of the proposed technical solution and its features. The application of ultrasonic vibrations to metals and their alloys and simultaneous heating by their source with a high energy density in the temperature range not exceeding the austenization temperature leads to the formation of a special stress state in the volume, characterized by intensive processes of reproduction, interaction and movement of dislocations, and other defects in the crystal structure . As a result of this, despite the relatively low heating, structural phase transformations, processes such as diffusion and recrystallization, which require thermal activation for their development, are sharply accelerated and proceed in a very short time.

Для технических свойств аналога и прототипа также характерна возможность протекания структурно-фазовых превращения, но при более высокой температуре (выше температуры аустенизации) для первого способа и с большей длительностью для последнего. The technical properties of the analogue and the prototype are also characterized by the possibility of structural phase transformations, but at a higher temperature (above the austenization temperature) for the first method and with a longer duration for the latter.

Вышеупомянутые свойства не совпадают, поэтому заявленное техническое решение соответствует критерию охраноспособности "изобретательский уровень". The above properties do not match, therefore, the claimed technical solution meets the eligibility criterion of "inventive step".

Предлагаемый способ лазерно-ультразвуковой обработки реализован следующим образом. The proposed method of laser-ultrasonic processing is implemented as follows.

В образец из высокохромистого чугуна ИЧХ16НМФТЛ, используя непосредственный акустический контакт колебательной системы с образцом, вводились ультразвуковые колебания с частотой 45,8 кГц и амплитудой 7 мм. Одновременно поверхность образца нагревалась лучом непрерывного СО₂-лазера ЛГН-702 с мощностью излучения 550 Вт до температуры 700^оС. Данная температура характеризуется тем, что она ниже температуры аустенизации, но достаточная для выделения из пересыщенного аустенита высокохромистого чугуна дисперсных карбидов типа (Cr, Fe)₇C₃.Using the direct acoustic contact of the oscillatory system with the sample, ultrasonic vibrations with a frequency of 45.8 kHz and an amplitude of 7 mm were introduced into a specimen from high-chromium cast iron ICHKH16NMFTL. Simultaneously, the sample surface was heated beam cw CO ₂ laser LGN-702 to 550 watts output power to a temperature of 700 ^o C. This temperature is characterized in that it is lower than the austenitizing temperature, but sufficient for the isolation of high chrome cast iron austenite supersaturated dispersed type carbides (Cr, Fe) ₇ C ₃ .

Эффективность предлагаемого способа оценивалась по интенсивности процесса выделения дисперсных карбидов в высокохромистом чугуне и по времени, затрачиваемому на проведение обработки. The effectiveness of the proposed method was evaluated by the intensity of the process of precipitation of dispersed carbides in high-chromium cast iron and by the time spent on the processing.

Рентгено-структурный фазовый анализ показал, что в высокохромистом чугуне после лазерно-ультразвуковой обработки количество карбидной фазы (Cr, Fe)₇C₃ возросло на 5,8%. Длительность обработки для каждой точки на поверхности образца, включая нагрев и охлаждение, не превышала 2 с. Для сравнения проводилась обработка образцов из высокохромистого чугуна в печи ПМ-8, которая включала в себя нагрев до 700^оС, выдержку и охлаждение на воздухе. Эксперименты показали, что для достижения аналогичного результата (прироста карбидной фазы (Cr, Fe)₇C₃ на 5,8%) требуются значительные выдержки при температуре нагрева, вследствие чего полностью термообработка осуществляется не менее чем за 4,5 ч. В случае нагрева с применением индукционной печи, введения в образец ультразвуковых колебаний и охлаждения сжатым воздухом (обработка по способу-прототипу [1]) длительность термообработки колеблется в пределах 50-135 мин, что на 3-4 порядка больше по сравнению с длительностью обработки по предлагаемому способу.X-ray structural phase analysis showed that in high-chromium cast iron after laser-ultrasonic treatment, the amount of carbide phase (Cr, Fe) ₇ C ₃ increased by 5.8%. The processing time for each point on the surface of the sample, including heating and cooling, did not exceed 2 s. For comparison, samples of high-chromium cast iron were processed in a PM-8 furnace, which included heating to 700 ^° C, holding and cooling in air. The experiments showed that in order to achieve a similar result (an increase in the carbide phase (Cr, Fe) ₇ C ₃ by 5.8%), significant exposures are required at the heating temperature, as a result of which the heat treatment is completely carried out in at least 4.5 hours. In the case of heating using an induction furnace, introducing ultrasonic vibrations into the sample and cooling with compressed air (processing according to the prototype method [1]), the duration of the heat treatment ranges from 50-135 minutes, which is 3-4 orders of magnitude longer than the processing time according to the proposed method allowance.

Эффективность лазерно-ультразвуковой обработки подтверждается также и вторым экспериментом. The effectiveness of laser-ultrasonic processing is also confirmed by the second experiment.

В образец из высокохромистого чугуна ИЧХ16НМФТЛ, предварительно закаленный от 980^оС в масло, вводились ультразвуковые колебания с частотой 45,8 кГц и амплитудой 7 мкм. Одновременно поверхность образца нагревалась лучом непрерывного СО₂-лазера ЛГН-702 с мощностью излучения 550 Вт до температуры 500^оС. В данном эксперименте оценивались интенсивность процесса распада остаточного метастабильного аустенита, появившегося в чугуне после закалки в масло, и время, затрачиваемое на проведение обработки.The sample of high chrome cast iron ICHH16NMFTL previously hardened from 980 ^{° C} to the oil introduced ultrasonic vibrations at a frequency of 45.8 kHz and an amplitude of 7 microns. Simultaneously, the sample surface was heated beam cw CO ₂ laser LGN-702 to 550 watts output power to a temperature of 500 ^C. In this experiment evaluated the intensity of the decay of the metastable residual austenite in the cast iron that appears after quenching in oil, and the time taken to perform processing .

Рентгено-структурный фазовый анализ (метод гомологических пар) показал, что в чугуне после обработки по предлагаемому способу количество остаточного аустенита снизилось с 32,6 до 12,8%. При этом длительность обработки для каждой точки на поверхности образца, включая нагрев и охлаждение, находилась в пределах 2 с. X-ray structural phase analysis (method of homologous pairs) showed that in cast iron after processing by the proposed method, the amount of residual austenite decreased from 32.6 to 12.8%. In this case, the treatment duration for each point on the surface of the sample, including heating and cooling, was within 2 s.

Для сравнения проводилась обработка образцов из той же марки чугуна в печи ПМ-8. Установлено, что при печном нагреве, выдержке при 500^оС и охлаждении на воздухе для распада остаточного аустенита с 32,6 до 12-13% требуется не менее 3,2 ч. При обработке же по способу-прототипу, включающему в себя нагрев в индукционной печи, наложение на образец ультразвуковых колебаний и охлаждение сжатым воздухом, длительность обработки может быть снижена до 50 мин, что также значительно больше по сравнению с длительностью обработки по предлагаемому способу.For comparison, samples from the same grade of cast iron were processed in a PM-8 furnace. It is found that when heating furnace, holding at 500 ^{° C} and air cooling for the decay of the residual austenite from 32.6 to 12-13% requires at least 3.2 hours. When processing same according to the prior art, comprising a heating induction furnace, the imposition of ultrasonic vibrations on the sample and cooling with compressed air, the processing time can be reduced to 50 minutes, which is also significantly longer compared to the processing time of the proposed method.

Сокращение длительности процессов, протекающих в чугуне при обработке по предлагаемому способу, можно объяснить следующим. The reduction in the duration of the processes occurring in cast iron during processing by the proposed method can be explained as follows.

При одновременном воздействии на образец ультразвуковых колебаний и лазерного излучения в зоне комбинированного воздействия формируется особое напряженное состояние, характеризующееся интенсивными процессами эволюции дислокационной подсистемы материала. Это, как известно, приводит к ускорению всех процессов (диффузии, рекристаллизации и т.п.), которые для своего развития требуют термической активации. With the simultaneous action of ultrasonic vibrations and laser radiation on the sample, a special stress state is formed in the combined exposure zone, characterized by intense evolutionary processes of the dislocation subsystem of the material. This, as is known, leads to the acceleration of all processes (diffusion, recrystallization, etc.), which require thermal activation for their development.

Claims

METHOD FOR PROCESSING PRODUCTS FROM METALS AND ALLOYS, including heating to a predetermined temperature with the simultaneous application of ultrasonic vibrations and cooling, characterized in that the heating is carried out by a source with a high energy density to temperatures not exceeding Ac ₁ .