RU2251594C1 - Method for surface hardening of steel articles - Google Patents
Method for surface hardening of steel articles Download PDFInfo
- Publication number
- RU2251594C1 RU2251594C1 RU2004116864/02A RU2004116864A RU2251594C1 RU 2251594 C1 RU2251594 C1 RU 2251594C1 RU 2004116864/02 A RU2004116864/02 A RU 2004116864/02A RU 2004116864 A RU2004116864 A RU 2004116864A RU 2251594 C1 RU2251594 C1 RU 2251594C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- iron
- chromium
- borides
- microhardness
- coating
- Prior art date
Links
Landscapes
- Electroplating Methods And Accessories (AREA)
- Electroplating And Plating Baths Therefor (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к химико-термической обработке металлов и сплавов, в частности к способам поверхностного упрочнения изделий из углеродистых и легированных сталей путем применения лазерной химико-термической обработки, и может быть использовано для упрочнения поверхности рабочих органов технологического оборудования пищевых производств и потребительской транспортной тары для упаковки пищевых продуктов.The invention relates to chemical-thermal treatment of metals and alloys, in particular to methods of surface hardening of products from carbon and alloy steels by applying laser chemical-thermal treatment, and can be used to harden the surface of the working bodies of technological equipment of food production and consumer transport packaging food products.
Известен способ поверхностного упрочнения изделий из стали, включающий лазерную обработку части защищаемой поверхности изделия, составляющей 10-15% всей площади [1].A known method of surface hardening of steel products, including laser processing of part of the protected surface of the product, comprising 10-15% of the total area [1].
Недостатком данного способа является низкая микротвердость, так как в процессе лазерной обработки поверхностных слоев создается значительная химическая (по углероду) и структурная неоднородность, уменьшающая эффективность защиты от коррозии и изнашивания.The disadvantage of this method is the low microhardness, since in the process of laser processing of the surface layers, a significant chemical (carbon) and structural heterogeneity is created, which reduces the effectiveness of corrosion and wear protection.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ поверхностного упрочнения изделий из стали и алюминия, включающий нанесение на поверхность мелкодисперсного порошка никеля и бора с последующей обработкой лазерным излучением [2].The closest in technical essence and the achieved result is a method of surface hardening of steel and aluminum products, including applying to the surface finely dispersed powder of nickel and boron, followed by laser irradiation [2].
Недостатком данного способа являются низкие микротвердость и адгезионная прочность вследствие того, что структура диффузионной зоны от покрытия к материалу основы представляет собой двухфазную систему дендритов интерметаллических фаз и твердого раствора.The disadvantage of this method is the low microhardness and adhesive strength due to the fact that the structure of the diffusion zone from the coating to the base material is a two-phase system of dendrites of intermetallic phases and solid solution.
Задачей данного изобретения является повышение микротвердости и адгезионной прочности за счет формирования диффузионной зоны твердого раствора железо-хром или зоны боридов железа на деталях технологического оборудования истирающего действия для пищевой и зернодобывающей промышленности.The objective of the invention is to increase the microhardness and adhesive strength due to the formation of a diffusion zone of a solid solution of iron-chromium or a zone of iron borides on the parts of technological equipment with abrasive action for the food and grain industries.
Поставленная задача достигается тем, что в способе поверхностного упрочнения изделий из стали, включающем нанесение покрытия с последующей лазерной обработкой, отличием является то, что покрытие наносят осаждением хрома при катодной плотности тока 3,5-5,5 мА/мм2 в течение 60-90 мин из водного электролита, а лазерную обработку проводят в режиме импульсного излучения с удельной мощностью 2,4-2,6 кВт/мм2 и скоростью сканирования 1,75-2,25 мм/с.The problem is achieved in that in the method of surface hardening of steel products, including coating followed by laser treatment, the difference is that the coating is applied by deposition of chromium at a cathode current density of 3.5-5.5 mA / mm 2 for 60- 90 min from an aqueous electrolyte, and laser processing is carried out in the mode of pulsed radiation with a specific power of 2.4-2.6 kW / mm 2 and a scanning speed of 1.75-2.25 mm / s.
Или поставленная задача достигается также тем, что в способе поверхностного упрочнения изделий из стали, включающем нанесение покрытия с последующей лазерной обработкой, отличием является то, что покрытие наносят формированием слоя боридов железа при температуре 800-1000°С в течение 150-180 мин из солевого расплава, а лазерную обработку проводят в режиме импульсного излучения с удельной мощностью 2,4-2,6 кВт/мм2 и скоростью сканирования 1,75-2,25 мм/с.Or the task is also achieved by the fact that in the method of surface hardening of steel products, including coating followed by laser processing, the difference is that the coating is applied by forming a layer of iron borides at a temperature of 800-1000 ° C for 150-180 minutes from salt melt, and laser processing is carried out in the mode of pulsed radiation with a specific power of 2.4-2.6 kW / mm 2 and a scanning speed of 1.75-2.25 mm / s
Использование в качестве элементов, упрочняющих поверхность, хрома и бора обусловлено, с одной стороны, тем, что данные элементы допущены Минздравом России для контакта со средами пищевых производств и пищевыми продуктами; с другой стороны, хром и бор в виде боридов железа упрочняют поверхность из углеродистых и легированных сталей.The use of chromium and boron as elements hardening the surface is caused, on the one hand, by the fact that these elements are approved by the Ministry of Health of Russia for contact with food production environments and food products; on the other hand, chromium and boron in the form of iron borides strengthen the surface of carbon and alloy steels.
Осаждение хрома осуществляют при катодной плотности тока 3,5-5,5 мА/мм2 в течение 60-90 мин из водного электролита, что надо для получения слоя хрома необходимой толщины. Осаждение хрома при меньшей катодной плотности тока в течение меньшего времени позволяет получить слои хрома незначительной толщины, которые при последующей лазерной обработке не обеспечивают необходимой концентрации хрома в диффузионной зоне твердого раствора. Осаждение хрома при большей катодной плотности тока в течение большего времени позволяет получить слои хрома более значительной толщины, которые обладают малой адгезией к материалу-основе и могут отслаиваться.The deposition of chromium is carried out at a cathodic current density of 3.5-5.5 mA / mm 2 for 60-90 minutes from an aqueous electrolyte, which is necessary to obtain a chromium layer of the required thickness. The deposition of chromium at a lower cathodic current density for less time allows you to get layers of chromium of insignificant thickness, which during subsequent laser processing does not provide the necessary concentration of chromium in the diffusion zone of the solid solution. The deposition of chromium at a higher cathodic current density for a longer time allows to obtain layers of chromium of a more significant thickness, which have little adhesion to the base material and can peel off.
Формирование слоя боридов железа осуществляют при температуре 800-1000°С в течение 150-180 мин из солевого расплава, что надо для получения слоя боридов железа необходимой толщины. Формирование слоев боридов железа при меньшей температуре в течение меньшего времени не происходит вследствие малой жидкотекучести расплава и низкой насыщающей способности, обусловливающих уменьшение интенсивности диффузии бора в поверхностные слои изделий.The formation of a layer of iron borides is carried out at a temperature of 800-1000 ° C for 150-180 minutes from molten salt, which is necessary to obtain a layer of iron borides of the required thickness. The formation of layers of iron borides at a lower temperature for less time does not occur due to the low fluidity of the melt and low saturation ability, causing a decrease in the intensity of diffusion of boron into the surface layers of the products.
Формирование слоев боридов железа при большей температуре в течение большего времени приводит к разупрочнению сердцевины изделий, к интенсивному растравливанию и оплавлению их поверхности.The formation of layers of iron borides at a higher temperature for a longer time leads to softening of the core products, to intensive etching and melting of their surface.
Лазерную обработку проводят в режиме импульсного излучения с удельной мощностью 2,4-2,6 кВт/мм2 и скоростью сканирования 1,75-2,25 мм/с. Данные режимы лазерной обработки обеспечивают значительное ускорение диффузии легирующих элементов и образование твердых растворов в диффузионной зоне. Плавное изменение концентрации легирующих элементов по глубине диффузионной зоны обусловливает соответствующее изменение физико-химических свойств, за счет чего достигается повышение микротвердости и адгезионной прочности. Проведение лазерной обработки при меньшей удельной мощности и большей скорости сканирования приводит к формированию неоднородной диффузионной зоны малой протяженности с низким средним уровнем микротвердости. Проведение лазерной обработки при большей удельной мощности и меньшей скорости сканирования приводит к образованию кратеров проплавления, глубина которых превышает толщину диффузионного слоя, и к снижению микротвердости при переходе через границу оплавления.Laser processing is carried out in the mode of pulsed radiation with a specific power of 2.4-2.6 kW / mm 2 and a scanning speed of 1.75-2.25 mm / s. These laser treatment modes provide a significant acceleration of the diffusion of alloying elements and the formation of solid solutions in the diffusion zone. A smooth change in the concentration of alloying elements along the depth of the diffusion zone causes a corresponding change in physicochemical properties, due to which an increase in microhardness and adhesion strength is achieved. Laser processing at a lower specific power and a higher scanning speed leads to the formation of an inhomogeneous diffusion zone of small length with a low average microhardness. Laser processing at a higher specific power and lower scanning speed leads to the formation of penetration craters, the depth of which exceeds the thickness of the diffusion layer, and to a decrease in microhardness upon passing through the reflow boundary.
Способ осуществляют следующим образом.The method is as follows.
На изделие из стали осаждают хром из водного электролита или формируют слой боридов железа из солевого расплава по следующим технологическим схемам.Chromium is precipitated from an aqueous electrolyte onto a steel product or a layer of iron borides is formed from molten salt according to the following technological schemes.
Хром осаждают из водного электролита, содержащего, г/л:Chromium precipitated from an aqueous electrolyte containing, g / l:
СrО3 225-275CrO 3 225-275
H2SO4 2,0-3,0H 2 SO 4 2.0-3.0
Н2О остальноеH 2 O rest
Осаждение хрома проводят при катодной плотности тока 3,5-5,5 мА/мм2 в течение 60-90 мин.The deposition of chromium is carried out at a cathodic current density of 3.5-5.5 mA / mm 2 for 60-90 minutes
Формирование слоя боридов железа осуществляют из солевого расплава, содержащего, маc. %:The formation of a layer of iron borides is carried out from a salt melt containing, by weight. %:
Nа2В4O7 40-60Na 2 V 4 O 7 40-60
В4С 30-50 4 C 30-50
NaF остальноеNaF rest
Слой боридов формируют при температуре 800-1000°С в течение 150-180 мин.A layer of borides is formed at a temperature of 800-1000 ° C for 150-180 minutes.
Лазерную обработку слоев хрома или слоев боридов железа проводят в режиме импульсного излучения с удельной мощностью 2,4-2,6 кВт/мм2 и скоростью сканирования 1,75-2,25 мм/с.Laser processing of chromium layers or layers of iron borides is carried out in the mode of pulsed radiation with a specific power of 2.4-2.6 kW / mm 2 and a scanning speed of 1.75-2.25 mm / s.
Пример №1.Example No. 1.
На стальные изделия, изготовленные, например, из углеродистых сталей с содержанием углерода 0,2-0,8%, предварительно обезжиренные, декапированные и промытые, осаждают хром или формируют слой боридов железа. Хром осаждают из водного электролита, содержащего, г/л:On steel products made, for example, from carbon steels with a carbon content of 0.2-0.8%, previously defatted, decapitated and washed, chromium is deposited or a layer of iron borides is formed. Chromium precipitated from an aqueous electrolyte containing, g / l:
СrО3 250CrO 3 250
H2SO4 2,5H 2 SO 4 2,5
H2O остальноеH 2 O rest
Осаждение хрома проводят при катодной плотности тока 4,5 мА/мм2 в течение 75 мин.The deposition of chromium is carried out at a cathodic current density of 4.5 mA / mm 2 for 75 minutes
Формирование слоя боридов железа осуществляют из солевого расплава, содержащего, маc. %:The formation of a layer of iron borides is carried out from a salt melt containing, by weight. %:
Na2B4O7 50Na 2 B 4 O 7 50
В4С 40B 4 40
NaF остальноеNaF rest
Слой боридов формируют при температуре 900°С в течение 165 мин.A layer of borides is formed at a temperature of 900 ° C for 165 minutes.
Лазерную обработку слоев хрома или слоев боридов железа проводят в режиме импульсного излучения с удельной мощностью 2,5 кВт/мм2 и скоростью сканирования 2 мм/с.Laser processing of chromium layers or layers of iron borides is carried out in the mode of pulsed radiation with a specific power of 2.5 kW / mm 2 and a scanning speed of 2 mm / s.
Полученное покрытие со структурой поверхностных твердых растворов железо-хром обладает микротвердостью 6 ГПа при микротвердости сердцевины 2 ГПа, а покрытие со структурой боридов железа обладает микротвердостью 7 ГПа при микротвердости сердцевины 1 ГПа.The resulting coating with the structure of iron-chromium surface solid solutions has a microhardness of 6 GPa at a core microhardness of 2 GPa, and a coating with a structure of iron borides has a microhardness of 7 GPa at a core microhardness of 1 GPa.
Пример №2.Example No. 2.
Поверхностное упрочнение изделий из стали осуществляют так, как указано в примере №1, а хром осаждают из водного электролита, содержащего, г/л:Surface hardening of steel products is carried out as described in example No. 1, and chromium is precipitated from an aqueous electrolyte containing, g / l:
СrО3 225CrO 3 225
H2SO4 2,0H 2 SO 4 2.0
Н2О остальное,N 2 About the rest,
при катодной плотности тока 3,5 мА/мм2 в течение 60 мин.at a cathodic current density of 3.5 mA / mm 2 for 60 minutes
Формирование слоя боридов железа осуществляют из солевого расплава, содержащего, маc. %:The formation of a layer of iron borides is carried out from a salt melt containing, by weight. %:
Na2B4O7 40Na 2 B 4 O 7 40
В4С 50 4 C 50
NaF остальноеNaF rest
Слой боридов формируют при температуре 800°С в течение 150 мин. Лазерную обработку слоев хрома или слоев боридов железа проводят в режиме импульсного излучения с удельной мощностью 2,4 кВт/мм2 и скоростью сканирования 2,25 мм/с.A layer of borides is formed at a temperature of 800 ° C for 150 minutes Laser processing of chromium layers or layers of iron borides is carried out in the mode of pulsed radiation with a specific power of 2.4 kW / mm 2 and a scanning speed of 2.25 mm / s.
Полученное покрытие со структурой поверхностных твердых растворов железо-хром обладает микротвердостью 5 ГПа при микротвердости сердцевины 2 ГПа, а покрытие со структурой боридов железа обладает микротвердостью 6 ГПа при микротвердости сердцевины 1 ГПа.The resulting coating with the structure of iron-chromium surface solid solutions has a microhardness of 5 GPa at a core microhardness of 2 GPa, and a coating with a structure of iron borides has a microhardness of 6 GPa at a core microhardness of 1 GPa.
Пример №3.Example No. 3.
Поверхностное упрочнение изделий из стали осуществляют так, как указано в примере №1, а хром осаждают из водного электролита, содержащего, г/л:Surface hardening of steel products is carried out as described in example No. 1, and chromium is precipitated from an aqueous electrolyte containing, g / l:
СrО3 275CrO 3 275
H2SO4 3,0H 2 SO 4 3.0
Н2О остальное,N 2 About the rest,
при катодной плотности тока 5,5 мА/мм2 в течение 90 мин.at a cathodic current density of 5.5 mA / mm 2 for 90 minutes
Формирование слоя боридов железа осуществляют из солевого расплава, содержащего, маc. %:The formation of a layer of iron borides is carried out from a salt melt containing, by weight. %:
Na2B4O7 60Na 2 B 4 O 7 60
В4С 30B 4 30
NaF остальноеNaF rest
Слой боридов формируют при температуре 1000°С в течение 180 мин. Лазерную обработку слоев хрома или слоев боридов железа проводят в режиме импульсного излучения с удельной мощностью 2,6 кВт/мм2 и скоростью сканирования 1,75 мм/с.A layer of borides is formed at a temperature of 1000 ° C for 180 minutes. Laser processing of chromium layers or layers of iron borides is carried out in the mode of pulsed radiation with a specific power of 2.6 kW / mm 2 and a scanning speed of 1.75 mm / s.
Полученное покрытие со структурой поверхностных твердых растворов железо-хром обладает микротвердостью 4 ГПа при микротвердости сердцевины 2 ГПа, а покрытие со структурой боридов железа обладает микротвердостью 5 ГПа при микротвердости сердцевины 1 ГПа.The resulting coating with the structure of iron-chromium surface solid solutions has a microhardness of 4 GPa at a core microhardness of 2 GPa, and a coating with a structure of iron borides has a microhardness of 5 GPa at a core microhardness of 1 GPa.
Испытание микротвердости покрытий со структурой поверхностных твердых растворов железо-хром и диффузионных слоев со структурой боридов железа, полученных на стали по предлагаемому способу, проводили на микротвердомере ПМТ-3 при нагрузке 50 г.The microhardness test of coatings with the structure of surface solid solutions of iron-chromium and diffusion layers with the structure of iron borides obtained on steel by the proposed method was carried out on a PMT-3 microhardness meter with a load of 50 g.
Результаты испытаний микротвердости диффузионных слоев со структурой боридов железа по предлагаемому способу и для сравнения покрытий на основе Fe-B по прототипу представлены в таблице.The microhardness test results of diffusion layers with the structure of iron borides according to the proposed method and for comparison of coatings based on Fe-B prototype are presented in the table.
Как видно из таблицы микротвердость диффузионных покрытий со структурой боридов железа по предлагаемому способу в 1,4 раза выше, чем по прототипу, изменяясь с 5 до 7 ГПа.As can be seen from the table, the microhardness of diffusion coatings with the structure of iron borides in the proposed method is 1.4 times higher than in the prototype, varying from 5 to 7 GPa.
Использование предлагаемого способа по сравнению с прототипом позволит в 1,4 раза повысить микротвердость упрочненных изделий из стали, увеличить адгезионную прочность диффузионных покрытий, что обеспечит повышение долговечности рабочих органов технологического оборудования истирающего действия для пищевой и зерноперерабатывающей промышленности, работающих в условиях одновременного воздействия динамических и усталостных нагрузок.Using the proposed method in comparison with the prototype will increase 1.4 times the microhardness of hardened steel products, increase the adhesion strength of diffusion coatings, which will increase the durability of the working bodies of the abrasive technological equipment for the food and grain processing industry, operating under the conditions of simultaneous exposure to dynamic and fatigue loads.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИSOURCES OF INFORMATION
1. Патент РФ №2061100, 27.05.96. Бюл. №15. С 23 F 15/00.1. RF patent No. 2061100, 05/27/96. Bull. No. 15. C 23 F 15/00.
2. А.С. СССР №1694692 A1, 30.11.91. Бюл. №44. С 23 С 12/00.2. A.S. USSR No. 1694692 A1, 11/30/91. Bull. No. 44. C 23 C 12/00.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2004116864/02A RU2251594C1 (en) | 2004-06-04 | 2004-06-04 | Method for surface hardening of steel articles |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2004116864/02A RU2251594C1 (en) | 2004-06-04 | 2004-06-04 | Method for surface hardening of steel articles |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2251594C1 true RU2251594C1 (en) | 2005-05-10 |
Family
ID=35746917
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2004116864/02A RU2251594C1 (en) | 2004-06-04 | 2004-06-04 | Method for surface hardening of steel articles |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2251594C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2687066C2 (en) * | 2014-07-21 | 2019-05-07 | Х.Э.Ф. | Method of processing a nitrated/carbon-nitrated article |
RU2692538C2 (en) * | 2013-06-20 | 2019-06-25 | Тата Стил Эймейден Б.В. | Method for manufacturing chromium - chromium oxide coated substrates |
-
2004
- 2004-06-04 RU RU2004116864/02A patent/RU2251594C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2692538C2 (en) * | 2013-06-20 | 2019-06-25 | Тата Стил Эймейден Б.В. | Method for manufacturing chromium - chromium oxide coated substrates |
RU2687066C2 (en) * | 2014-07-21 | 2019-05-07 | Х.Э.Ф. | Method of processing a nitrated/carbon-nitrated article |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Sahoo et al. | Evaluation of microstructure and mechanical properties of TiC/TiC-steel composite coating produced by gas tungsten arc (GTA) coating process | |
CN106164184B (en) | The method for producing the repressed steel part for hardening and coating with high production rate | |
Tong et al. | Effects of WC particle size on the wear resistance of laser surface alloyed medium carbon steel | |
CA2254700C (en) | Laser clad pot roll sleeves for galvanizing baths | |
Tomida et al. | Formation of metal matrix composite layer on aluminum alloy with TiC-Cu powder by laser surface alloying process | |
US9938600B2 (en) | Manufacturing a hardened formed part | |
Cheng et al. | Improvement in corrosion resistance of a nodular cast iron surface modified by plasma beam treatment | |
WO2015087349A1 (en) | Multi-track laser surface hardening of low carbon cold rolled closely annealed (crca) grades of steels | |
JPH04214879A (en) | Protective layer of metal substrate and its manufacture | |
Vedani et al. | Problems in laser repair-welding a surface-treated tool steel | |
Kim et al. | Chromium carbide laser-beam surface-alloying treatment on stainless steel | |
RU2251594C1 (en) | Method for surface hardening of steel articles | |
Shin et al. | Microstructural characterizations and wear and corrosion behaviors of laser-nitrided NAK80 mold steel | |
Fatoba et al. | The influence of laser parameters on the hardness studies and surface analyses of laser alloyed stellite-6 coatings on AA 1200 Alloy: a response surface model approach | |
Kawakami et al. | Hardness enhancement by molten metal flow in laser remelting with an ultra-thin additional element coating | |
RU2729674C1 (en) | Method of applying coating on steel sheet or steel strip and method of making press-hardened parts therefrom | |
RU2161211C1 (en) | Method of friction surfaces treatment | |
Zhang et al. | Cavitation erosion behavior of WC coatings on CrNiMo stainless steel by laser alloying | |
Lo et al. | Corrosion resistance of laser-fabricated metal–matrix composite layer on stainless steel 316L | |
JP2000273653A (en) | Surface modifying method for metallic member, and metallic member with modified layer | |
de la Rosa et al. | Sintering and wear behavior of a FeCrCB hardfacing alloy applied by tape casting: A study of cooling rate effect | |
Yilbas et al. | Laser Assisted Nitriding of Ti‐6Al‐4V Alloy: Metallurgical and Electrochemical Properties | |
Prakash et al. | Laser Microtexturing of NiCrAlY Coated Nickel-based Superalloy for Improved Adhesion Bond Strength. | |
JPS60110851A (en) | Laser hardening method | |
Hurtado-Delgado et al. | Microcracks Reduction in Laser Hardened Layers of Ductile Iron. Coatings 2021, 11, 368 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20070605 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20090520 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20100605 |