RU2215821C2

RU2215821C2 - Metal coating formation method

Info

Publication number: RU2215821C2
Application number: RU2001135646/02A
Authority: RU
Inventors: И.Г. Козырь; С.Н. Коробейников
Original assignee: Липецкий государственный технический университет
Priority date: 2001-12-21
Filing date: 2001-12-21
Publication date: 2003-11-10

Abstract

FIELD: metallurgy. SUBSTANCE: metal coating is applied onto metallic substrate and coated surface layer is heated for a short time by concentrated energy stream, heating profile being selected from condition prescribing melting of metal surfaces near the coating-substrate border while solid state of the surface layer is preserved. EFFECT: increased strength of coating- object cohesion and retained roughness of object. 1 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению и металлургии, преимущественно к технологии получения металлических покрытий на изделиях из металлов и сплавов. The invention relates to mechanical engineering and metallurgy, mainly to a technology for producing metal coatings on products from metals and alloys.

Известен способ лазерного спекания, при котором на поверхность порошка в зону спекания направляют спекающий лазерный луч [1]. Сходным существенным признаком аналога с заявляемым изобретением является нагрев поверхностного слоя концентрированным потоком энергии (лазерным излучением). При применении данного способа невозможно добиться низкой шероховатости поверхности и, как правило, требуется дополнительная механическая обработка - шлифование. A known method of laser sintering, in which a sintering laser beam is directed to the surface of the powder in the sintering zone [1]. A similar significant feature of the analogue of the claimed invention is the heating of the surface layer with a concentrated flow of energy (laser radiation). When using this method, it is impossible to achieve a low surface roughness and, as a rule, additional mechanical processing is required - grinding.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков является способ лазерной наплавки, при котором на обрабатываемую поверхность предварительно наносят наплавляемый материал и оплавляют его лазерным лучом [2], Сходными существенными признаками прототипа и заявляемого изобретения являются нанесение на обрабатываемую поверхность покрытия и нагрев поверхностного слоя концентрированным потоком энергии (лазерным излучением). Реализация способа, описанного в прототипе, приводит к полному плавлению поверхностного слоя, перемешиванию материалов наплавляемых веществ с материалом основы и повышению шероховатости поверхности, что приводит к необходимости, в большинстве случаев, проведения механической обработки - шлифования поверхности изделия. The closest set of essential features is the method of laser surfacing, in which the deposited material is preliminarily applied to the surface to be treated and melted with a laser beam [2]. Similar essential features of the prototype and the claimed invention are the application of a concentrated energy flow to the surface to be coated and heated by the surface layer ( laser radiation). The implementation of the method described in the prototype leads to the complete melting of the surface layer, mixing the materials of the deposited substances with the base material and increasing the surface roughness, which leads to the need, in most cases, for machining - grinding the surface of the product.

Для обеспечения технического результата, заключающегося в соединении металлического покрытия с металлическим изделием, обеспечивающим прочность соединения покрытия с изделием, сопоставимую с прочностью материала покрытия или материала изделия, и сохранение шероховатости поверхности либо ее несущественного изменения, предлагается следующий способ. Способ заключается в нанесении на металлическое изделие металлического или композиционного покрытия на металлической основе. Данное покрытие может быть гальваническим, детонационным, полученным путем осаждения паров металла в вакууме и т.п. (см., например, [3] ). Далее производится кратковременный - импульсный - нагрев покрытия и поверхностного слоя металлического изделия. Режим нагрева выбирается из условия плавления металлов вблизи границы покрытие - основа. Плотность потока энергии определяется разностью температур плавления покрытия и основы. Длительность воздействия потока энергии на поверхность определяется временем образования заданного количества жидкой фазы на границе покрытие-основа. Для осуществления способа в качестве КПЭ могут использоваться лазерное излучение, пучки ускоренных электронов, ионные пучки, электрическая дуга, плазменные струи, ТВЧ. Главными требованиями к источникам концентрированных потоков энергии являются возможность локального воздействия и возможность регулирования длительности и мощности для обеспечения режимов нагрева. Отличие заявляемого технического решения заключается в выборе режимов нагрева поверхности металлического изделия с покрытием, обеспечивающих получение технического результата. To ensure a technical result, which consists in combining a metal coating with a metal product, ensuring the strength of the connection of the coating with the product, comparable with the strength of the coating material or material of the product, and maintaining the surface roughness or its insignificant changes, the following method is proposed. The method consists in applying a metal or composite coating on a metal base to a metal product. This coating can be galvanic, detonation, obtained by the deposition of metal vapor in vacuum, etc. (see, for example, [3]). Next is a short-term - pulsed - heating of the coating and the surface layer of the metal product. The heating mode is selected from the condition of melting of metals near the boundary coating - base. The energy flux density is determined by the difference in the melting temperatures of the coating and the substrate. The duration of the impact of the energy flow on the surface is determined by the time of formation of a given amount of the liquid phase at the coating-base interface. To implement the method, laser radiation, accelerated electron beams, ion beams, electric arc, plasma jets, and high-frequency radiation can be used as KPIs. The main requirements for the sources of concentrated energy flows are the possibility of local exposure and the ability to control the duration and power to ensure heating modes. The difference of the claimed technical solution lies in the choice of modes of heating the surface of a coated metal product, providing a technical result.

Перечень фигур. На фиг.1 приведено распределение температуры по глубине от поверхности покрытия при обработке лазерным излучением по режиму, позволяющему достичь цели изобретения. На фиг. 2 приведены расчетные зависимости температуры поверхности хромового покрытия (•) и зависимости температуры границы хром-сталь 20 на глубине 20 мкм от поверхности (°) от времени. Начало отсчета времени соответствует началу воздействия лазерного излучения. Enumeration of figures. Figure 1 shows the temperature distribution in depth from the surface of the coating when processing with laser radiation in a mode that allows to achieve the objectives of the invention. In FIG. Figure 2 shows the calculated dependences of the surface temperature of the chrome coating (•) and the dependences of the temperature of the chrome steel 20 interface at a depth of 20 μm on the surface (°) versus time. The time reference corresponds to the beginning of the action of laser radiation.

Для подтверждения возможности осуществления изобретения по предложенному способу рассмотрим пример конкретного выполнения. На сталь 20 наносится хромовое электролитическое покрытие толщиной 20 мкм. Далее покрытие кратковременно нагревается лазерным излучением. Температурный режим нагрева показан на фиг. 1, фиг.2. При этом мощность лазерного излучения составляет 400 Вт, диаметр луча - 0,9 мм, длительность нагрева - 21 мс. Так как температура плавления хрома составляет 1830^oС, а стали 20 - 1480^oС, то при предложенном режиме нагрева образуется жидкий подслой в области границы хром-сталь 20 при сохранении поверхностного слоя хрома в твердом состоянии. После охлаждения за счет отвода тепла внутрь изделия и частично за счет теплоотвода с поверхности на месте жидкого подслоя образуется твердый раствор железо-хром-углерод. Концентрация хрома плавно меняется от 100% на поверхности до 0% на нижней границе расплава. Таким образом достигаются основные цели изобретения: шероховатость поверхности хромового покрытия практически не меняется ввиду отсутствия плавления поверхностного слоя; образующийся из расплава переходной слой имеет высокие прочностные характеристики, соответствующие прочности сплава железо-хром, что превышает соответствующие характеристики стали 20.To confirm the possibility of carrying out the invention by the proposed method, consider an example of a specific implementation. A steel chromium electrolytic coating with a thickness of 20 μm is applied to steel 20. Further, the coating is briefly heated by laser radiation. The temperature mode of heating is shown in FIG. 1, figure 2. In this case, the laser radiation power is 400 W, the beam diameter is 0.9 mm, and the heating duration is 21 ms. Since the melting temperature of chromium is 1830 ^o C, and steel 20 - 1480 ^o C, then under the proposed heating mode, a liquid sublayer is formed in the region of the chromium-steel 20 boundary while maintaining the surface layer of chromium in the solid state. After cooling due to heat removal into the product and partly due to heat removal from the surface, a solid solution of iron-chromium-carbon is formed in place of the liquid sublayer. The concentration of chromium varies smoothly from 100% on the surface to 0% at the lower boundary of the melt. Thus, the main objectives of the invention are achieved: the surface roughness of the chrome coating practically does not change due to the lack of melting of the surface layer; the transition layer formed from the melt has high strength characteristics corresponding to the strength of the iron-chromium alloy, which exceeds the corresponding characteristics of steel 20.

Литература
1. RU 2132761 C1 (UNITED TECHNOLOGIES CORP.), 10.07.1999.Literature
1. RU 2132761 C1 (UNITED TECHNOLOGIES CORP.), 07/10/1999.

2. SU 1609003 A1, (Аравин Б.П. и др.), 20.05.1996. 2. SU 1609003 A1, (Aravin B.P. et al.), 05.20.1996.

3. Поляк М.С. Технология упрочнения. Технологические методы упрочнения. В 2 т. Т.1. - М.: "Л.В.М. - СКРИПТ", "МАШИНОСТРОЕНИЕ", 1995. - 832 с. 3. Pole M.S. Hardening technology. Technological methods of hardening. In 2 t. T. 1. - M .: "L.V.M. - SKRIPT", "MECHANICAL ENGINEERING", 1995. - 832 p.

Claims

A method of producing a metal coating, comprising applying a metal coating to a metal base and heating the surface layer and the coating with a concentrated energy flow, characterized in that the surface layer and the coating are short-term heated, the mode of which is selected from the condition of melting metal materials near the coating-base interface with maintaining the surface layer of the coating in a solid state.