RU2121004C1

RU2121004C1 - Laser-thermal technique for treating carbon steels

Info

Publication number: RU2121004C1
Application number: RU96120458A
Authority: RU
Inventors: В.Г. Петриков; А.Л. Голованов; Г.Н. Гаврилов; С.В. Костромин
Original assignee: Нижегородский государственный технический университет
Priority date: 1996-10-04
Filing date: 1996-10-04
Publication date: 1998-10-27

Abstract

FIELD: steelmaking. SUBSTANCE: process consists of preliminary three- dimensional heating of steel to 75-90 C and subsequent heating of its surface layer by laser emission to austenite-state temperature. EFFECT: eliminated probability of crack formation in carbon-steel products, prevented malformation of surface layer of metal, and achieved required level of steel hardness. 1 tbl

Description

Изобретение относится к термической обработке углеродистых сталей и может быть использовано для поверхностного термоупрочнения деталей машиностроения, подвергающихся при эксплуатации адгезионному или абразивному изнашиванию. The invention relates to the heat treatment of carbon steels and can be used for surface heat hardening of machine parts subjected to adhesive or abrasive wear during operation.

При лазерном термоупрочнении относительно массивных деталей, изготовленных из углеродистых сталей, возникают поверхностные трещины, которые по ряду признаков можно отнести к замедленному разрушению закаленной стали. При этом склонность сталей к трещинообразованию возрастает с повышением содержания в ней углерода и при снижении температуры саморазогрева ниже 50^oC. Возникновение поверхностных трещин в утолщенных сечениях деталей обусловлено более низкой температурой саморазогрева и более высоким уровнем внутренних напряжений в закаленной стали по сравнению с тонкими сечениями.During laser thermal hardening of relatively massive parts made of carbon steels, surface cracks occur, which, according to a number of signs, can be attributed to delayed fracture of hardened steel. In this case, the tendency of steels to crack formation increases with an increase in the carbon content in it and with a decrease in the temperature of self-heating below 50 ^o C. The occurrence of surface cracks in thickened sections of parts is caused by a lower temperature of self-heating and a higher level of internal stresses in hardened steel compared to thin sections.

Известен способ лазерного термоупрочнения низколегированных и среднеуглеродистых сталей, согласно которому с целью инициирования процессов саморазогрева и самоотпуска сталей лазерную обработку осуществляют на непрерывном CO₂-лазере с выходной мощностью от 2,5 до 5 кВт при скорости перемещения сканирующего лазерного луча от 5 до 40 мм/с. Эффект саморазогрева металла достигается при этом за счет сопутствующего поверхностного подогрева при сканировании лазерного луча на упрочняемой поверхности с амплитудой (шириной дорожки) до 20 мм.A known method of laser thermal hardening of low-alloy and medium-carbon steels, according to which, in order to initiate the processes of self-heating and self-tempering of steels, the laser treatment is carried out on a continuous CO ₂ laser with an output power of 2.5 to 5 kW at a speed of movement of the scanning laser beam from 5 to 40 mm / from. The effect of metal self-heating is achieved due to concomitant surface heating when scanning a laser beam on a hardened surface with an amplitude (track width) of up to 20 mm.

Указанный способ позволяет достичь высокой твердости и регулировать глубину упрочненного слоя при одновременном снижении вероятности трещинообразования в нем. Последнее свойство обусловлено уменьшением градиента растягивающих термических напряжений в зоне лазерного воздействия. The specified method allows to achieve high hardness and adjust the depth of the hardened layer while reducing the likelihood of cracking in it. The latter property is due to a decrease in the gradient of tensile thermal stresses in the zone of laser exposure.

Однако сопутствующий лазерный самоподогрев поверхностного слоя по указанному способу все же недостаточен для развития в нем в полной мере процессов самоотпуска закаленной стали, и уровень фазовых напряжений при мартенситном превращении, в отличие от термических напряжений, остается все еще высоким, обусловливая появление в упрочненном слое массивных деталей хрупких межкристаллитных трещин замедленного разрушения. Кроме того, рассмотренный способ требует применения дополнительного сложного устройства сканирования лазерного луча. However, the concomitant laser self-heating of the surface layer by the indicated method is still insufficient for the development of self-tempering processes of hardened steel in it fully, and the level of phase stresses during martensitic transformation, in contrast to thermal stresses, remains still high, causing the appearance of massive parts in the hardened layer brittle intergranular cracks delayed fracture. In addition, the considered method requires the use of an additional complex device for scanning a laser beam.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ лазерно-термической обработки стальных изделий, согласно которому с целью повышения пластичности зоны термообработки и релаксации внутренних напряжений производят предварительный нагрев металла до температуры 400 ... 600^oC и последующую лазерную обработку его при плотности мощности лазерного излучения 10³ ... 10⁴ МВт/м².The closest in technical essence to the proposed method is a method of laser-thermal treatment of steel products, according to which, in order to increase the ductility of the heat treatment zone and relaxation of internal stresses, metal is pre-heated to a temperature of 400 ... 600 ^o C and its subsequent laser processing at a power density laser radiation 10 ³ ... 10 ⁴ MW / m ² .

При этом нижний предел интервала температур предварительного нагрева металла определяется реализацией соответствующих фазовых превращений (согласно диаграмме "железо-углерод"), а верхний - началом образования на металле оксидной пленки. The lower limit of the metal preheating temperature range is determined by the implementation of the corresponding phase transformations (according to the “iron-carbon” diagram), and the upper one, by the beginning of the formation of an oxide film on the metal.

По мнению авторов, использование указанного способа приводит к более полном протеканию диффузионных процессов, снижению микротвердости и релаксации внутренних напряжений в облученной зоне. According to the authors, the use of this method leads to a more complete course of diffusion processes, a decrease in microhardness and relaxation of internal stresses in the irradiated zone.

Однако для углеродистых сталей температура подогрева 400^oC превосходит температуру начала мартенситного превращения М_н, что препятствует получению упрочненного слоя в зоне лазерного воздействия сталей.However, for carbon steels, the heating temperature of 400 ^o C exceeds the onset temperature of the martensitic transformation M _n , which prevents the formation of a hardened layer in the zone of laser exposure to steels.

Задачей изобретения является создание способа лазерно-термической обработки углеродистых сталей, устраняющего разупрочнение поверхностного слоя металла. Технический результат заключается в предотвращении образования трещин в зоне лазерного воздействия при одновременном обеспечении задаваемого уровня твердости при лазерном термоупрочнении углеродистых сталей. The objective of the invention is to provide a method for laser-thermal treatment of carbon steels, eliminating the softening of the surface layer of metal. The technical result is to prevent the formation of cracks in the zone of laser exposure while providing a specified level of hardness during laser thermal hardening of carbon steels.

Указанный результат достигается тем, что в способе лазерно-термической обработки углеродистых сталей, включающем предварительный объемный нагрев стали и последующий нагрев поверхностного слоя лазерным излучением до температуры аустенитного состояния, предварительный объемный нагрев стали производят до температуры в интервале 75 ... 90^oC.The specified result is achieved by the fact that in the method of laser-thermal treatment of carbon steels, including preliminary volumetric heating of steel and subsequent heating of the surface layer by laser radiation to the temperature of the austenitic state, preliminary volumetric heating of steel is carried out to a temperature in the range of 75 ... 90 ^o C.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что отличительной особенностью заявляемого способа является снижение температуры предварительного объемного нагрева стали до температур двухфазного распада свежеобразованного мартенсита, что обеспечивает формирование на поверхности стали не только мартенситного слоя с заданной твердостью, но и протекание в нем в достаточной степени релаксационных процессов самоотпуска. A comparative analysis of the proposed solution with the prototype shows that a distinctive feature of the proposed method is to reduce the temperature of preliminary volumetric heating of steel to two-phase decomposition temperatures of freshly formed martensite, which ensures the formation of not only a martensitic layer with a given hardness on the surface of the steel, but also a sufficiently relaxation course in it self-release processes.

Верхний предел температуры предварительного подогрева стали 90^oC ограничен требованием обеспечения заданной твердости упрочняемой поверхности (не менее HV₅750), а нижний предел 75^oC - требованием предотвращения образования поверхностных трещин в металле.The upper limit of the steel preheating temperature of 90 ^o C is limited by the requirement to provide the specified hardness of the hardened surface (not less than HV ₅ 750), and the lower limit of 75 ^o C by the requirement to prevent the formation of surface cracks in the metal.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. Берут деталь из углеродистой стали, ранее подвергнутую объемной термообработке по известной технологии, например закалка + отпуск. Упрочняемую поверхность детали шлифуют и оксидируют или наносят на нее поглощающее покрытие (например, фосфатируют). Предварительный объемный подогрев детали производят до лазерной обработки с помощью газовой горелки или путем ее термостатирования в резервуаре с водой. Подогретую деталь подвергают лазерной закалке на твердотельном импульсном или непрерывном CO₂-лазере. Охлаждение детали после лазерного термоупрочнения осуществляют на воздухе, а дальнейшие операции контроля качества - по известной технологии.The proposed method is as follows. A carbon steel part previously subjected to volumetric heat treatment using a known technology, for example, quenching + tempering, is taken. The hardened surface of the part is ground and oxidized or an absorbent coating is applied to it (for example, phosphate). Preliminary volumetric heating of the part is carried out before laser processing using a gas burner or by thermostating in a tank with water. The heated part is subjected to laser hardening using a solid-state pulsed or continuous CO ₂ laser. Part cooling after laser thermal hardening is carried out in air, and further quality control operations are performed using known technology.

Пример выполнения. Пальцы прицепного шатуна диаметром 40 мм, изготовленные из сталей марок 65 и 80 (ГОСТ 14959), подвергали стандартной объемной термической обработке по следующему режиму: закалка от температуры 815 ± 15^oC в масло, затем отпуск при температуре 485 ± 15^oC. Далее производили лазерное термоуправление деталей по двум вариантам: по известной технологии согласно прототипу и по заявляемому способу с предварительным объемным подогревом путем термостатирования детали в водяном резервуаре, варьируя при этом температуру подогрева от 20 до 95^oC.Execution example. The fingers of a trailer connecting rod with a diameter of 40 mm made of steel grades 65 and 80 (GOST 14959) were subjected to standard volumetric heat treatment in the following mode: quenching from a temperature of 815 ± 15 ^o C in oil, then tempering at a temperature of 485 ± 15 ^o C. Next laser thermal control of parts was carried out according to two options: according to the known technology according to the prototype and according to the present method with preliminary volumetric heating by thermostating the part in a water tank, while varying the heating temperature from 20 to 95 ^o C.

Параметры лазерной обработки были одинаковы для всех вариантов: мощность лазерного излучения - 1,0 кВт; скорость лазерной обработки - 25 мм/с; плотность мощности лазерного излучения - 10³ МВт/м². По каждому варианту производили лазерную обработку 5 деталей.The laser processing parameters were the same for all options: laser radiation power - 1.0 kW; laser processing speed - 25 mm / s; the laser radiation power density is 10 ³ MW / m ² . For each option, 5 parts were laser treated.

Критерием качества упрочняемой поверхности являлось отсутствие поверхностных трещин и достижение задаваемого уровня твердости металла (HV₅750). Наличие трещин контролировали с помощью микроскопа МБС-2 при увеличении до x56, а твердость - методом Виккерса при нагрузке 50 H на твердомере типа ТП-7Р-1. Результаты испытаний сталей марок 65 и 80 представлены в таблице, из которой видно, что трещины в деталях исчезают при температурах предварительного подогрева более 70^oC для стали 65 и более 75^oC для стали 80, а твердость падает ниже заданного уровня при температуре подогрева более 90^oC. Установленные параметры подогрева будут справедливы и для углеродистых сталей с содержанием углерода менее 0,65% и более 0,80%, так как в первом случае заметно снижается твердость мартенсита, а во втором - в структуре закаленной стали появляется остаточный аустенит, способствующий релаксации внутренних напряжений.The quality criterion of the hardened surface was the absence of surface cracks and the achievement of a specified level of metal hardness (HV ₅ 750). The presence of cracks was controlled using an MBS-2 microscope at magnification up to x56, and hardness was monitored by the Vickers method at a load of 50 N on a TP-7R-1 hardness tester. The test results of steels of grades 65 and 80 are presented in the table, from which it can be seen that cracks in the details disappear at preheating temperatures of more than 70 ^o C for steel 65 and more than 75 ^o C for steel 80, and the hardness drops below a predetermined level at a heating temperature of more 90 ^o C. The set heating parameters will also be valid for carbon steels with a carbon content of less than 0.65% and more than 0.80%, since in the first case the hardness of martensite decreases markedly, and in the second case, residual austenite appears in the structure of hardened steel, posobstvuyuschy relaxation of internal stresses.

Таким образом, оптимальным интервалом температур предварительного подогрева углеродистых сталей является интервал 75 ... 90^oC. В то же время детали, подвергнутые лазерной термообработке по существующей технологии, имели твердость упрочненного слоя ниже требуемого уровня.Thus, the optimal temperature range for preheating carbon steels is the interval 75 ... 90 ^o C. At the same time, the parts subjected to laser heat treatment according to the existing technology had a hardness of the hardened layer below the required level.

Предлагаемый способ лазерного термоупрочнения углеродистых сталей обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества:
- снижает уровень внутренних напряжений и уменьшает вероятность возникновения поверхностных трещин в зоне лазерного воздействия;
- позволяет расширить номенклатуру упрочняемых лазером деталей в сторону увеличения их максимального сечения.The proposed method of laser thermal hardening of carbon steels provides the following advantages compared to existing methods:
- reduces the level of internal stresses and reduces the likelihood of surface cracks in the area of laser exposure;
- allows you to expand the range of laser hardened parts in the direction of increasing their maximum cross section.

Claims

A method for laser-thermal treatment of carbon steels, including preliminary volumetric heating of steel and subsequent heating of the surface layer by laser radiation to an austenitic state temperature, characterized in that the preliminary volumetric heating of steel is carried out to a temperature in the range of 75-90 ^o C.