RU2345174C1 - Compound used for surface laser hardening of parts made from construction steels - Google Patents

Compound used for surface laser hardening of parts made from construction steels Download PDF

Info

Publication number
RU2345174C1
RU2345174C1 RU2007126589/02A RU2007126589A RU2345174C1 RU 2345174 C1 RU2345174 C1 RU 2345174C1 RU 2007126589/02 A RU2007126589/02 A RU 2007126589/02A RU 2007126589 A RU2007126589 A RU 2007126589A RU 2345174 C1 RU2345174 C1 RU 2345174C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
hardening
parts
carbon
boric anhydride
surface laser
Prior art date
Application number
RU2007126589/02A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Игорь Витальевич Говоров (RU)
Игорь Витальевич Говоров
Александр Михайлович Семенцев (RU)
Александр Михайлович Семенцев
Андрей Николаевич Чемодуров (RU)
Андрей Николаевич Чемодуров
Original Assignee
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "Брянский государственный технический университет"
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 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "Брянский государственный технический университет" filed Critical ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "Брянский государственный технический университет"
Priority to RU2007126589/02A priority Critical patent/RU2345174C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2345174C1 publication Critical patent/RU2345174C1/en

Links

Abstract

FIELD: technological processes, metal working.
SUBSTANCE: invention refers to surface impregnation of steel parts, and namely to the compound used for surface laser hardening, and can be used for hardening the parts of machines and tools, which are made from construction steels and operate under conditions of multiple contact (static and dynamic) loading in machine-building industry, metalworking industry and other industries. Compound contains carbon, chrome oxide and boric anhydride at the following component ratio, wt %: carbon - 8…16; chrome oxide - 25…35; and boric anhydride - the rest.
EFFECT: improving wear-and-tear resistance of parts.
1 tbl

Description

Изобретение относится к области химико-термической обработки стальных деталей, в частности к лазерному легированию, и может быть использовано для поверхностного упрочнения деталей машин и инструментов, изготовленных из конструкционных сталей и работающих в условиях многократного контактного (статического и динамического) нагружения в машиностроительной, металлообрабатывающей и других отраслях промышленности.The invention relates to the field of chemical-thermal treatment of steel parts, in particular to laser alloying, and can be used for surface hardening of machine parts and tools made of structural steels and operating under conditions of multiple contact (static and dynamic) loading in machine-building, metalworking and other industries.

Известен состав [1] для лазерного легирования стальных деталей, состоящий из окиси хрома (Cr2О3), карбида бора (В4С) и ферросилиция (FeSi), обеспечивающий высокую степень упрочнения обработанной поверхности за счет повышения поверхностной микротвердости и глубины модифицированного слоя. Недостатком этого состава является неравномерность изменения микротвердости упрочненного слоя по глубине и неоднородность его по площади обработанной поверхности, что приводит к невысоким показателям износостойкости упрочненной поверхности в условиях многократных контактных нагрузок.A known composition [1] for laser alloying of steel parts, consisting of chromium oxide (Cr 2 O 3 ), boron carbide (B 4 C) and ferrosilicon (FeSi), providing a high degree of hardening of the treated surface by increasing the surface microhardness and depth of the modified layer . The disadvantage of this composition is the uneven change in the microhardness of the hardened layer in depth and its heterogeneity in the area of the treated surface, which leads to low wear resistance of the hardened surface under conditions of multiple contact loads.

Целью изобретения является повышение износостойкости функциональных поверхностей изделий из конструкционных сталей в условиях многоциклового контактного нагружения.The aim of the invention is to increase the wear resistance of the functional surfaces of products from structural steels under conditions of multi-cycle contact loading.

В связи с этим предлагается состав для поверхностного лазерного упрочнения деталей из конструкционных сталей, включающий углерод (С), окись хрома (Cr2O3), а в качестве борсодержащего вещества - борный ангидрид (В2О3), при следующем соотношении компонентов, мас.%:In this regard, we propose a composition for surface laser hardening of parts made of structural steels, including carbon (C), chromium oxide (Cr 2 O 3 ), and boron anhydride (B 2 O 3 ) as a boron-containing substance, in the following ratio of components, wt.%:

углеродcarbon 8…16;8 ... 16; окись хромаchromium oxide 25…35;25 ... 35; борный ангидридboric anhydride - остальное- the rest

Компоненты в составе выполняют следующие функции.The components in the composition perform the following functions.

Борный ангидрид (В2О3) является основным упрочняющим компонентом и представляет собой порошок белого цвета с температурой плавления 450…470°С. В условиях лазерной обработки борный ангидрид взаимодействует с железом и хромом (из матрицы основы и окиси, входящей в заявляемый состав) с образованием соответствующих боридов, обладающих высокой объемной прочностью и твердостью.Boric anhydride (В 2 О 3 ) is the main strengthening component and is a white powder with a melting point of 450 ... 470 ° С. Under laser processing conditions, boric anhydride interacts with iron and chromium (from the matrix matrix and oxide included in the inventive composition) with the formation of the corresponding borides with high bulk strength and hardness.

Окись хрома (Cr2О3) представляет собой мелкодисперсный (µ>20 мкм) порошок зеленого цвета, имеющий температуру плавления 2300°С, кристаллизующийся в гексагональной решетке. Взаимодействуя при высоких температурах с бором, хром образует прочные и твердые бориды, которые в то же время значительно повышают трещиностойкость. Содержание окиси хрома менее 25% приводит к интенсивному трещинообразованию в процессе динамического нагружения упрочненных поверхностей, что объясняется большой долей образовывающихся весьма хрупких боридов железа. Содержание окиси хрома более 35% приводит к значительному снижению степени упрочнения ввиду существенного уменьшения концентрации борного ангидрида.Chromium oxide (Cr 2 O 3 ) is a finely dispersed (μ> 20 μm) green powder having a melting point of 2300 ° C, crystallizing in a hexagonal lattice. Interacting with boron at high temperatures, chromium forms strong and solid borides, which at the same time significantly increase crack resistance. A content of chromium oxide of less than 25% leads to intense cracking during dynamic loading of hardened surfaces, which is explained by the large proportion of very brittle iron borides formed. A content of chromium oxide of more than 35% leads to a significant decrease in the degree of hardening due to a significant decrease in the concentration of boric anhydride.

Углерод (С) вводится в состав обмазки в виде мелкодисперсной фракции (µ>20 мкм) порошка черного цвета (графита) с целью повышения твердости и прочности получаемого покрытия за счет образования карбидов хрома, а также для стабилизации глубины упрочнения по всей площади обрабатываемой поверхности, что достигается повышением поглощающей способности обмазки и, как следствие, более равномерным распределением энергии по пятну лазерного воздействия в процессе упрочнения. Содержание углерода менее 8% не сказывается на эффективности упрочнения, что объясняется недостаточной его концентрацией для интенсификации процессов образования карбидов хрома. Содержание углерода свыше 16% приводит к интенсивному выгоранию состава обмазки при воздействии лазерного излучения.Carbon (C) is introduced into the coating in the form of a finely divided fraction (μ> 20 μm) of black powder (graphite) in order to increase the hardness and strength of the resulting coating due to the formation of chromium carbides, as well as to stabilize the depth of hardening over the entire surface area to be treated, which is achieved by increasing the absorbing ability of the coating and, as a result, a more uniform distribution of energy over the spot of the laser exposure during hardening. A carbon content of less than 8% does not affect the hardening efficiency, which is explained by its insufficient concentration to intensify the formation of chromium carbides. A carbon content of over 16% leads to intense burnout of the coating composition when exposed to laser radiation.

Указанные свойства компонентов, вводимых в состав обмазки в предлагаемом соотношении, обеспечивают получение при лазерной обработке на поверхности конструкционной стали упрочненного слоя с высокой износостойкостью в условиях многократных динамических нагрузок.The indicated properties of the components introduced into the composition of the coating in the proposed ratio, provide when laser processing on the surface of structural steel a hardened layer with high wear resistance under conditions of multiple dynamic loads.

Для экспериментальной проверки предлагаемого состава подготавливались 6 смесей ингредиентов, три из которых показали оптимальные результаты. В качестве объектов исследований использовались призмы опорные технологической оснастки (7033-0035 по ГОСТ 12195-66, сталь 45 (HRCэ 50…55)), рабочие поверхности которых предварительно обрабатывались до Ra=2,5 мкм. Компоненты составов смешивались, разбавлялись связующим веществом и наносились пневмораспылением на рабочие поверхности призм. Толщина наносимой обмазки составляла 100…120 мкм.For experimental verification of the proposed composition prepared 6 mixtures of ingredients, three of which showed optimal results. Supporting technological equipment prisms (7033-0035 in accordance with GOST 12195-66, steel 45 (HRCE 50 ... 55)), the working surfaces of which were pretreated to Ra = 2.5 μm, were used as objects of research. The components of the compositions were mixed, diluted with a binder and applied by spraying onto the working surfaces of the prisms. The thickness of the applied coating was 100 ... 120 microns.

Модифицирование проводили на технологической лазерной установке «Квант-18М», работающей в импульсном режиме, при плотности излучения q=7 Дж/мм2, длительности импульса τ=8 мс, коэффициенте перекрытия пятна лазерного излучения - 0,5.The modification was carried out on a Kvant-18M technological laser unit operating in a pulsed mode, with a radiation density q = 7 J / mm 2 , a pulse duration of τ = 8 ms, and a laser beam spot overlap factor of 0.5.

Поверхностная микротвердость определялась на микротвердомере ПМТ-3У при нагрузке 0,5 Н. Для выявления глубины упрочнения изготавливались шлифы обработанных образцов, осуществлялось их травление (5…10 с) в 5%-ном растворе азотной кислоты. Глубина упрочнения определялась шириной «белого» нетравящегося слоя.The surface microhardness was determined on a PMT-3U microhardness meter with a load of 0.5 N. To reveal the depth of hardening, we prepared thin sections of treated samples and etched them (5 ... 10 s) in a 5% nitric acid solution. The hardening depth was determined by the width of the “white” non-etching layer.

Для определения износостойкости упрочненных поверхностей использовалась специальная установка многоциклового контактного нагружения: нормально к упрочненной поверхности циклически через цилиндрический образец (⌀ 20 мм, Ra=6,3 мкм) прикладывалась нагрузка 2500 Н. После заданного числа циклов нагружения абсолютный износ (в направлении, нормальном исследуемой поверхности) определялся по профилограммам на автоматизированном измерительном комплексе на базе профилографа-профилометра модели 170311 (завод «Калибр»). Измерения проводились трехкратно.To determine the wear resistance of hardened surfaces, a special installation of multi-cycle contact loading was used: normally, a load of 2500 N was applied cyclically through a cylindrical sample (⌀ 20 mm, Ra = 6.3 μm) to the hardened surface. After a given number of loading cycles, absolute wear (in the direction normal to the test surface) was determined by profilograms on an automated measuring system based on a profilograph-profilometer model 170311 (Caliber plant). The measurements were carried out three times.

Результаты исследований приведены в таблице.The research results are shown in the table.

Содержание углерода менее 8% (таблица, вар.2) слабо влияет на эффект упрочнения, так как его концентрация в зоне лазерного воздействия не достаточна для активизации процессов образования карбидов хрома, а увеличение содержания углерода свыше 16% приводит к интенсивному выгоранию обмазки и, как следствие, к крайне неравномерному изменению глубины упрочненного слоя - от 120 до 200 мкм (таблица, вар.6).A carbon content of less than 8% (table, var. 2) has little effect on the hardening effect, since its concentration in the laser irradiation zone is not sufficient to activate the formation of chromium carbides, and an increase in carbon content over 16% leads to intensive burnout of the coating and, as consequence, to an extremely uneven change in the depth of the hardened layer - from 120 to 200 microns (table, version 6).

Таблица
Результаты упрочнения стальных образцов
Table
The hardening results of steel samples
№ п/пNo. p / p КомпонентыComponents Содержание в обмазке, масс.%The content in the coating, wt.% Свойства упрочненного слояHardened layer properties Микротвердость, HVMicrohardness, HV Максимальная глубина упрочнения, мкмMaximum hardening depth, microns Величина износа (мкм) при числе циклов нагруженияThe amount of wear (μm) at the number of loading cycles 1000010,000 3000030000 5000050,000 1.one. Окись хрома Chromium oxide 25 25 20002000 280280 77 1616 3737 ФерросилицийFerrosilicon 1010 Карбид бора (известный)Boron carbide (known) 6565 2.2. Борный ангидрид Boric anhydride 76 76 18001800 180180 88 (15)**(fifteen)** (34)**(34) ** Окись хромаChromium oxide 20twenty УглеродCarbon 4four 3.3. Борный ангидрид Boric anhydride 67 67 18501850 230230 66 15fifteen 2929th Окись хромаChromium oxide 2525 УглеродCarbon 88 4.four. Борный ангидрид Boric anhydride 58 58 20102010 250250 55 1212 2727 Окись хромаChromium oxide 30thirty УглеродCarbon 1212 5.5. Борный ангидрид Boric anhydride 49 49 19501950 240240 66 1212 30thirty Окись хромаChromium oxide 3535 УглеродCarbon 1616 6.6. Борный ангидрид Boric anhydride 40 40 16501650 200*200 * 88 20twenty 3838 Окись хромаChromium oxide 4040 УглеродCarbon 20twenty Примечания: * - изменение глубины легирования неоднородно, в пределах обработанной поверхности;Notes: * - the change in the depth of alloying is heterogeneous, within the treated surface; ** - наличие трещин в зоне контакта «упрочненная поверхность - индентор».** - the presence of cracks in the contact zone "hardened surface - indenter".

Увеличение содержания окиси хрома свыше 35% приводит к преобладанию процесса хромирования, что несколько снижает поверхностную твердость (таблица, вар.6). Уменьшение содержания окиси хрома ниже 25% сопровождается интенсификацией процесса борирования с образованием прочных, но хрупких боридов железа, что является причиной появления сетки трещин при многоцикловом нагружении (таблица, вар.2).An increase in the content of chromium oxide over 35% leads to the predominance of the chromium plating process, which slightly reduces the surface hardness (table, var. 6). A decrease in the content of chromium oxide below 25% is accompanied by an intensification of the boronation process with the formation of strong but brittle iron borides, which is the cause of the appearance of a network of cracks under high-cycle loading (table, var. 2).

Приведенные в таблице данные показывают, что использование предлагаемого состава позволяет при сохранении степени упрочнения поверхностного слоя повысить износостойкость образцов из конструкционных сталей на 30…35%, что обеспечивает увеличение срока эксплуатации деталей в условиях действия многоцикловых контактных нагрузок.The data presented in the table show that the use of the proposed composition allows, while maintaining the degree of hardening of the surface layer, to increase the wear resistance of samples of structural steels by 30 ... 35%, which ensures an increase in the life of parts under conditions of multi-cycle contact loads.

Источники информацииInformation sources

1. А.с. 1607433 СССР, МКИ С23С 12/02. Состав для борохромирования стальных деталей при лазерном нагреве.1. A.S. 1607433 USSR, MKI S23C 12/02. Composition for borochroming of steel parts during laser heating.

Claims (1)

Состав для поверхностного лазерного упрочнения деталей из конструкционных сталей, содержащий хром- и борсодержащие компоненты, отличающийся тем, что он дополнительно содержит углерод, а в качестве хром- и борсодержащих компонентов - окись хрома и борный ангидрид, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод 8-16 окись хрома 25-35 борный ангидрид Остальное
Composition for surface laser hardening of parts from structural steels, containing chromium and boron-containing components, characterized in that it additionally contains carbon, and as chromium and boron-containing components, chromium oxide and boric anhydride, in the following ratio, wt.%:
carbon 8-16 chromium oxide 25-35 boric anhydride Rest
RU2007126589/02A 2007-07-12 2007-07-12 Compound used for surface laser hardening of parts made from construction steels RU2345174C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007126589/02A RU2345174C1 (en) 2007-07-12 2007-07-12 Compound used for surface laser hardening of parts made from construction steels

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007126589/02A RU2345174C1 (en) 2007-07-12 2007-07-12 Compound used for surface laser hardening of parts made from construction steels

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2345174C1 true RU2345174C1 (en) 2009-01-27

Family

ID=40544240

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2007126589/02A RU2345174C1 (en) 2007-07-12 2007-07-12 Compound used for surface laser hardening of parts made from construction steels

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2345174C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2715273C1 (en) * 2019-04-02 2020-02-26 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ростовский государственный университет путей сообщения" (ФГБОУ ВО РГУПС) Composition for surface laser hardening of parts from structural steels
RU2740548C1 (en) * 2019-11-26 2021-01-15 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) Method of reinforcing sheet from iron-based alloy

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2715273C1 (en) * 2019-04-02 2020-02-26 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ростовский государственный университет путей сообщения" (ФГБОУ ВО РГУПС) Composition for surface laser hardening of parts from structural steels
RU2740548C1 (en) * 2019-11-26 2021-01-15 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) Method of reinforcing sheet from iron-based alloy

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4537793A (en) Method for generating hard, wear-proof surface layers on a metallic material
RU2345174C1 (en) Compound used for surface laser hardening of parts made from construction steels
Morimoto et al. Some properties of boronized layers on steels with direct diode laser
CN102020880A (en) Light absorption coating for laser heat treatment of surface of metal material and coating method thereof
Skakov et al. Modification of structure and properties of steel Р6М5 at electrolyte plasma treatment
Kolomeichenko et al. Investigation of nanometallokeramic composite coatings obtained by vibro-arc surfacing
RU2459011C1 (en) Coating for boroaluminising of steel products
US3969157A (en) Method of providing decarbonization protection for metallic surfaces
Marinin et al. Experimental evaluation of the methods of laser cementation of low-alloy tool steels
RU2757748C1 (en) Composition of charge for slip coatings
Skakov et al. Change of structure and wear resistance of P6M5 steel from processing in electrolyte plasma
SU1573052A1 (en) Composition for laser alloying
RU2786263C1 (en) Method for laser alloying of tool steel with boron carbide and aluminum powders
DE2361017B2 (en) Method for boronizing the surface of a metallic workpiece
RU2784536C1 (en) Method for borating the carbon steel surface
RU2535123C2 (en) Procedure for strengthening blades of work members of vehicles
SU1601195A1 (en) Composition for borating steel articles
SU1726555A1 (en) Method of treating boron diffusion coats on steel parts
Marinin et al. The Increasing of the Operational Stability of Wood-Working tools by the laser cementation
Konstantinova et al. Structure Formation Processes During the Plasma Cementation of Steel and the Subsequent Heat Treatment
SHIBUYA Immersion Bonding of Steels by Boric Acid and Potassium Borate
SU899709A1 (en) Composition for boronizing steel products
SU1509420A1 (en) Method of low-temperature nitriding of steels
CN106324210B (en) Brick-making mould Cr12 Steel Properties test methods
Skakov et al. Influence of electrolytic plasma cementation on the microhardness and wear resistance of steel 12Cr18Ni10Ti

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20090713