RU2445378C2 - Method for obtaining wear-resistant surface of metals and their alloys (versions) - Google Patents
Method for obtaining wear-resistant surface of metals and their alloys (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2445378C2 RU2445378C2 RU2010110782/02A RU2010110782A RU2445378C2 RU 2445378 C2 RU2445378 C2 RU 2445378C2 RU 2010110782/02 A RU2010110782/02 A RU 2010110782/02A RU 2010110782 A RU2010110782 A RU 2010110782A RU 2445378 C2 RU2445378 C2 RU 2445378C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- laser
- plasma
- treated
- laser plasma
- power density
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Laser Beam Processing (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к способу получения износостойкой поверхности металлов и их сплавов с использованием лазерной плазмы, образованной лучом лазера, а также применением ультразвукового воздействия на зону обработки.The invention relates to a method for producing a wear-resistant surface of metals and their alloys using a laser plasma formed by a laser beam, as well as the use of ultrasonic treatment of the treatment area.
Может применяться в машиностроении для повышения ресурса и надежности работы деталей машин и механизмов, а также в инструментальном производстве для повышения стойкости режущего инструмента, штампов, пресс-форм и технологической оснастки.It can be used in mechanical engineering to increase the resource and reliability of machine parts and mechanisms, as well as in tool production to increase the durability of cutting tools, dies, molds and tooling.
Известно, что износ любого режущего инструмента, а также деталей машин и механизмов происходит под воздействием температурных, химических и механических факторов, начинается с поверхности [1]. В настоящее время накоплено значительное количество способов снижения износа, которые можно разделить на следующие группы: материаловедческие, технологические, конструкционные, производственные и эксплуатационные [1, 2].It is known that the wear of any cutting tool, as well as parts of machines and mechanisms, occurs under the influence of temperature, chemical and mechanical factors, begins from the surface [1]. Currently, a significant number of ways to reduce wear have been accumulated, which can be divided into the following groups: materials science, technology, construction, production and maintenance [1, 2].
Технологические методы снижения износа основаны на физико-химических, тепловых, механических воздействиях на сам материал, поверхностные слои материалов, на поверхности раздела с целью управления износостойкостью поверхности [2].Technological methods for reducing wear are based on physicochemical, thermal, and mechanical effects on the material itself, the surface layers of materials, on the interface to control the wear resistance of the surface [2].
Управляя поверхностными свойствами материала можно получать поверхностный слой со значительным увеличением его износостойкости..By controlling the surface properties of the material, a surface layer can be obtained with a significant increase in its wear resistance.
Молекулярно-механическая теория трения определяет два основных пути повышения износостойкости материалов [3]:The molecular-mechanical theory of friction defines two main ways to increase the wear resistance of materials [3]:
1. Увеличение твердости трущейся поверхности;1. An increase in the hardness of the rubbing surface;
2. Снижение прочности адгезионной связи.2. The decrease in the strength of the adhesive bond.
Снижение прочности адгезионной связи достигается разделением поверхности трения жидким, твердым, газовым смазочным материалом.A decrease in adhesive bond strength is achieved by dividing the friction surface with a liquid, solid, gas lubricant.
Твердость является необходимым, но далеко не достаточным условием повышения износостойкости. Легирование поверхностного слоя, повышение дисперсности структуры, снижение уровня напряженно-деформационного состояния поверхностного слоя позволяют внести значительный вклад в повышение износостойкости поверхности [1, 2, 3].Hardness is a necessary but far from sufficient condition for increasing wear resistance. Alloying the surface layer, increasing the dispersion of the structure, reducing the level of stress-strain state of the surface layer make it possible to make a significant contribution to increasing the wear resistance of the surface [1, 2, 3].
В сравнительном анализе способов упрочнения поверхности с целью повышения износостойкости методы объемной термической и химико-термической обработки не рассматриваются, так как они энергоемки и имеют значительную длительность технологических циклов [3].In a comparative analysis of surface hardening methods in order to increase wear resistance, the methods of volumetric thermal and chemical-thermal treatment are not considered, since they are energy-intensive and have a significant duration of technological cycles [3].
Существующие в настоящее время способы локального термического упрочнения и металлургического легирования для упрочнения поверхности металлов и их сплавов при атмосферных условиях различными концентрированными источниками энергии: газопламенными, светолучевыми, электроискровыми, электродуговыми, плазменными, индукционными, электромеханическими и другими [4] обладают определенными недостатками:Currently existing methods of local thermal hardening and metallurgical alloying for hardening the surface of metals and their alloys under atmospheric conditions with various concentrated energy sources: flame, light beam, electric spark, electric arc, plasma, induction, electromechanical and others [4] have certain disadvantages:
- большие зоны термического влияния и возможный выход геометрических размеров упрочненных деталей за поле допуска;- large areas of thermal influence and the possible output of the geometric dimensions of the hardened parts beyond the tolerance field;
- отсутствие значительного приращения значения микротвердости поверхности, не позволяющее получать более высокое значение износостойкости [4];- the absence of a significant increment in the value of microhardness of the surface, which does not allow to obtain a higher value of wear resistance [4];
- возможность упрочнения только в режиме автозакалки и отсутствие возможности производить упрочнение в режиме термоциклирования [5];- the possibility of hardening only in the auto-quenching mode and the lack of the ability to harden in the thermal cycling mode [5];
- упрочнение с использованием светолучевых источников энергии требует нанесения покрытия на поверхность для увеличения коэффициента поглощения, что увеличивает длительность технологического цикла обработки и нетехнологично [6];- hardening using light-beam energy sources requires coating the surface to increase the absorption coefficient, which increases the duration of the processing cycle and is not technologically advanced [6];
- электроискровой способ упрочнения поверхности имеет низкую производительность и практически не применяется для упрочнения инструмента и деталей машин в серийном и массовых видах производств [4];- electrospark method of surface hardening has low productivity and is practically not used for hardening tools and machine parts in serial and mass production [4];
- применение электронного луча как высококонцентрированного термического источника энергии нетехнологично, так как требуется наличие вакуума, сложной технологической оснастки, и данный способ практически не применяется для упрочнения инструмента и деталей машин в серийном и крупносерийном производстве [6].- the use of the electron beam as a highly concentrated thermal energy source is not technologically advanced, since it requires a vacuum, complex technological equipment, and this method is practically not used to strengthen the tool and machine parts in serial and large-scale production [6].
Применение луча лазера как высококонцентрированного термического источника энергии для упрочнения поверхности [5, 6] в значительной мере нивелирует вышеперечисленные недостатки, но не позволяет устранить их полностью:The use of a laser beam as a highly concentrated thermal energy source for surface hardening [5, 6] substantially eliminates the above disadvantages, but does not completely eliminate them:
- при лазерном упрочнении без оплавления поверхности требуется нанесение поглощающих покрытий для увеличения коэффициента поглощения;- when laser hardening without melting the surface requires the application of absorbing coatings to increase the absorption coefficient;
- при лазерном упрочнении без оплавления поверхности изменение химического состава поверхностного слоя не происходит, что не позволяет использовать потенциальные технологические возможности повышения износостойкости за счет легирования поверхностного слоя [5, 6];- during laser hardening without melting the surface, a change in the chemical composition of the surface layer does not occur, which does not allow using the potential technological possibilities of increasing wear resistance due to alloying of the surface layer [5, 6];
- лазерное упрочнение характеризуется значительными остаточными термическими напряжениями, образующимися в зоне упрочнения [5, 6].- laser hardening is characterized by significant residual thermal stresses generated in the hardening zone [5, 6].
В тоже время, лазерное упрочнение имеет ряд преимуществ перед способами упрочнения концентрированными источниками энергии [5, 6], что позволяет:At the same time, laser hardening has several advantages over hardening methods with concentrated energy sources [5, 6], which allows:
- получить более мелкодисперсные структуры, и соответственно, более высокие значения износостойкости [7, 8];- to obtain finer-dispersed structures, and accordingly, higher values of wear resistance [7, 8];
- сохранить геометрические размеры обрабатываемой детали в поле допуска за счет минимальных тепловложений;- save the geometric dimensions of the workpiece in the tolerance field due to minimal heat input;
- позволяет производить сборку упрочненных деталей без последующей механической обработки: шлифования, полирования, хонингования.- allows you to assemble hardened parts without subsequent mechanical processing: grinding, polishing, honing.
Таким образом, несмотря на ряд преимуществ в способе лазерного упрочнения без оплавления поверхности задействованы не все возможные потенциальные технологические способы получения износостойкой поверхности и, в частности, за счет изменения химического состава поверхностного слоя.Thus, despite a number of advantages in the method of laser hardening without melting the surface, not all possible potential technological methods for obtaining a wear-resistant surface are involved and, in particular, due to a change in the chemical composition of the surface layer.
Как известно, легирование металлов с последующей термической обработкой приводит к значительному улучшению его механических свойств [3].As is known, alloying metals with subsequent heat treatment leads to a significant improvement in its mechanical properties [3].
Лазерное легирование поверхностного слоя обладает значительными потенциальными возможностями повышения износостойкости [5, 9].Laser doping of the surface layer has significant potential for increasing wear resistance [5, 9].
При лазерном легировании поверхностного слоя возможно более значительное приращение твердости поверхностного слоя и следовательно более высокое значение износостойкости [5]. Но существующие в настоящее время способы лазерного легирования поверхностного слоя обладают рядом недостатков:With laser alloying of the surface layer, a more significant increase in the hardness of the surface layer and, consequently, a higher value of wear resistance are possible [5]. But currently existing methods of laser alloying the surface layer have several disadvantages:
- необходимо предварительное нанесение на обрабатываемую поверхность покрытий, содержащих легирующие элементы в виде обмазок, гальванопокрытий, покрытий, нанесенных газотермическими способами, электроискровой обработки, нанесением паст, насыпкой и т.д. с последующим оплавлением лучом лазера покрытия и легируемой поверхности [5, 9].- it is necessary to preliminarily apply coatings containing alloying elements in the form of coatings, electroplating, coatings applied by thermal methods, electrospark treatment, pasting, filling, etc. onto the surface to be treated. followed by fusion with the laser beam of the coating and the alloyed surface [5, 9].
- образование легированного приповерхностного слоя происходит в результате расплавления лучом лазера, предварительно нанесенного на поверхность покрытия, приповерхностного слоя и перемешивания легирующих элементов в результате конвективного термокапилярного массопереноса и диффузии в жидкой фазе.- the formation of a doped near-surface layer occurs as a result of fusion of a laser beam previously deposited on the coating surface, a near-surface layer and mixing of alloying elements as a result of convective thermocapillary mass transfer and diffusion in the liquid phase.
Более прогрессивным способом лазерного легирования поверхностных слоев является подача легирующих элементов в виде порошка, с помощью инертных газов, в расплавленную ванну, образованную лучом лазера. При таком способе лазерного легирования, при правильно выбранных режимах удается достичь высоких значений приращения твердости поверхностного слоя и значительно увеличить износостойкость [5].A more progressive method of laser alloying of the surface layers is to supply alloying elements in the form of a powder, using inert gases, into a molten bath formed by a laser beam. With this method of laser alloying, with correctly selected modes, it is possible to achieve high values of the increment in hardness of the surface layer and significantly increase the wear resistance [5].
Однако упомянутый способ легирования также характеризуются рядом недостатков:However, the aforementioned alloying method is also characterized by a number of disadvantages:
1. Осуществляется неравномерное распределение легирующих элементов по глубине ванны расплава в связи с недостаточным временем существования жидкой фазы из-за высокой скорости обработки. Подача порошка различной дисперсности в ванну расплава осуществляется в твердой фазе. Вследствие этого необходимо определенное время для нагрева частичек порошка до температуры плавления, время на расплавление, диффузию, конвективное перемешивание и массоперенос под действием термокапилярных сил. Поэтому скорость (производительность) легирования необходимо ограничивать вследствие вышесказанных физических эффектов для получения однородного распространения химических элементов. Неравномерность распределения легирующих элементов по глубине зоны расплава приводит к анизотропии физико-химических и механических свойств поверхностного слоя. Известно, что увеличение скорости лазерного легирования приводит к измельчению образующейся структуры, максимальной скорости обработки соответствует наибольшая твердость [5].1. Uneven distribution of alloying elements is carried out along the depth of the melt pool due to the insufficient lifetime of the liquid phase due to the high processing speed. Powder of various dispersion is supplied to the melt bath in the solid phase. As a result of this, a certain time is required for heating the powder particles to the melting temperature, time for melting, diffusion, convective mixing and mass transfer under the action of thermocapillary forces. Therefore, the speed (productivity) of alloying must be limited due to the above physical effects in order to obtain a uniform distribution of chemical elements. The uneven distribution of alloying elements along the depth of the melt zone leads to anisotropy of the physicochemical and mechanical properties of the surface layer. It is known that an increase in the speed of laser doping leads to a refinement of the resulting structure, the maximum processing speed corresponds to the highest hardness [5].
2. Уменьшение скорости легирования (для улучшения микрохимической однородности легирования поверхностного слоя) вызывает увеличение тепловых вложений и соответственно уменьшение скорости охлаждения, что приводит к образованию более крупнодисперсных структур [5].2. A decrease in the doping rate (to improve the microchemical uniformity of the doping of the surface layer) causes an increase in thermal investment and, accordingly, a decrease in the cooling rate, which leads to the formation of coarser structures [5].
Износостойкость поверхности определяется не только твердостью поверхностного слоя, но и дисперсностью структуры [2, 8].The wear resistance of the surface is determined not only by the hardness of the surface layer, but also by the dispersion of the structure [2, 8].
Таким образом, существующие в настоящее время способы газопорошкового лазерного легирования имеют физические ограничения на скорость обработки и соответственно на получение более мелкодисперсных структур, обладающих более высоким значением износостойкости.Thus, the currently existing methods of gas-powder laser alloying have physical limitations on the processing speed and, accordingly, on obtaining finer-dispersed structures with a higher wear resistance value.
Рассмотренные выше способы локального упрочнения металлов и их сплавов относятся к монотехнологиям, то есть к технологиям, которые реализуются с помощью одного энергетического источника.The methods of local hardening of metals and their alloys discussed above relate to monotechnologies, that is, to technologies that are implemented using a single energy source.
Интеграция (объединение) монотехнологий в единый технологический процесс приводит к созданию новых технологических процессов, которые называются гибридными и комбинированными [10, 11].Integration (unification) of monotechnologies into a single technological process leads to the creation of new technological processes, which are called hybrid and combined [10, 11].
Возможность интеграции (объединения) луча лазера с другими технологическими источниками энергии в единый техпроцесс для решения задач обработки материалов позволяет в значительной мере нивелировать недостатки монотехнологий и повысить технико-экономическую эффективность процессов обработки [12].The possibility of integrating (combining) the laser beam with other technological energy sources into a single technological process for solving the problems of material processing makes it possible to significantly mitigate the shortcomings of monotechnologies and increase the technical and economic efficiency of processing processes [12].
В связи с этим следует отметить, что применение ультразвука при термической обработке металлов позволяет улучшить механические и напряженно-деформационные характеристики поверхностного слоя [13].In this regard, it should be noted that the use of ultrasound in the heat treatment of metals can improve the mechanical and stress-strain characteristics of the surface layer [13].
Известен способ лазерно-ультразвуковой обработки изделий, приведенный в заявке изобретения «Способ лазерно-ультразвуковой обработки изделий», заявка RU №93042728, от 26.08.1993, публикация 20.01.1997.A known method of laser-ultrasonic processing of products, given in the application of the invention "Method of laser-ultrasonic processing of products", application RU No. 93042728, from 08.26.1993, publication 01.20.1997.
Способ включает нагрев поверхности лазером до температур выше температуры солидуса и охлаждение поверхности после прекращения действия лазерного излучения, в зону лазерного воздействия на стадиях нагрева и охлаждения одновременно вводят ультразвуковые колебания с амплитудой не менее 2 мкм.The method includes heating the surface of the laser to temperatures above the solidus temperature and cooling the surface after the cessation of laser radiation, ultrasonic vibrations with an amplitude of at least 2 μm are simultaneously introduced into the zone of laser exposure at the stages of heating and cooling.
Недостаток способа заключается в том, что в нем задействованы не все потенциальные технологические возможности получения износостойкой поверхности и, в частности, за счет изменения химического состава поверхностного слоя.The disadvantage of this method is that it does not involve all the potential technological capabilities of obtaining a wear-resistant surface and, in particular, due to a change in the chemical composition of the surface layer.
Известна «Установка для лазерно-ультразвуковой обработки поверхности металлов», приведенная в описании к патенту №88307 от 17.07.2009.The well-known "Installation for laser-ultrasonic surface treatment of metals" described in the description of the patent No. 88307 from 07.17.2009.
Установка включает лазерный излучатель, ультразвуковой излучатель с волноводом и станину, отличается тем, что лазерный излучатель снабжен оптико-волоконным световодом, который установлен рабочим концом перпендикулярно обрабатываемой поверхности, а волновод установлен под углом 45° к обрабатываемой поверхности и соединен с ультразвуковым излучателем через магнитострикционный преобразователь.The installation includes a laser emitter, an ultrasonic emitter with a waveguide and a bed, characterized in that the laser emitter is equipped with an optical fiber, which is mounted with the working end perpendicular to the surface being machined, and the waveguide is installed at an angle of 45 ° to the surface to be processed and connected to the ultrasonic emitter through a magnetostrictive transducer .
Установка позволяет одновременно с лазерной обработкой поверхности осуществлять ультразвуковое упрочнение, без изменения химического состава поверхностного слоя.The installation allows simultaneously with laser surface treatment to carry out ultrasonic hardening, without changing the chemical composition of the surface layer.
Недостаток обработки поверхности такой установкой заключается в том, что также как и предыдущего аналога, в нем задействованы не все потенциальные технологические возможности получения износостойкой поверхности и, в частности, за счет изменения химического состава поверхностного слоя.The disadvantage of surface treatment with such an installation is that, like the previous analogue, it does not involve all the potential technological capabilities of obtaining a wear-resistant surface and, in particular, due to a change in the chemical composition of the surface layer.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу лазерно-плазменного ультразвукового получения износостойкой поверхности металлов и их сплавов является «Способ лазерно-плазменного полирования металлической поверхности», приведенный в описании патента на изобретение №2381094, зарег. в Гос. реестре РФ 10.02.2010.The closest in technical essence to the claimed method of laser-plasma ultrasonic production of a wear-resistant surface of metals and their alloys is the "Method of laser-plasma polishing of a metal surface" described in the description of the patent for invention No. 2381094, registered. in the state. the register of the Russian Federation 02.10.2010.
Способ лазерно-плазменного полирования металлической поверхности включает воздействие непрерывного лазерного излучения на обрабатываемую поверхность, при этом над полируемой поверхностью посредством лазерного луча в парах металла поджигают приповерхностную плазму и поддерживают ее в непрерывном оптическом разряде, с возможностью перемещения ее энергетического центра относительно полируемой поверхности.The method of laser-plasma polishing of a metal surface includes the action of continuous laser radiation on the surface being treated, while near the surface the plasma is ignited on the surface of the surface and is supported by a laser beam in a continuous optical discharge, with the possibility of moving its energy center relative to the polished surface.
Кроме того, осуществляют «грубое» и «чистовое» полирование, при этом процесс полирования одновременно сопровождается дополнительными сопутствующими положительными эффектами: незначительного повышения твердости обрабатываемой поверхности и износостойкости.In addition, they carry out “rough” and “finish” polishing, while the polishing process is simultaneously accompanied by additional concomitant positive effects: a slight increase in the hardness of the treated surface and wear resistance.
При этом приповерхностная плазма оптического разряда при полировании поверхности не содержит химических элементов, являющихся легирующими для обрабатываемого материала, и вследствие этого таким способом невозможно достигнуть значительного повышения износостойкости поверхностного слоя обрабатываемых металлов и их сплавов.In this case, the surface plasma of an optical discharge during polishing does not contain chemical elements that are alloying for the material being processed, and as a result of this, it is impossible to achieve a significant increase in the wear resistance of the surface layer of the processed metals and their alloys.
Эффективное формирование поверхностного слоя материалов с целью получения износостойкой поверхности по критериям конструкционной прочности, напряженного состояния, структуры, дисперсности поверхностного слоя, микрогеометрии поверхности может быть достигнуто посредством рационального сочетания металлургического, термического и деформационного процессов воздействия на поверхностный слой материала, реализуемых в гибридно-комбинированных технологиях.Effective formation of the surface layer of materials in order to obtain a wear-resistant surface according to the criteria of structural strength, stress state, structure, dispersion of the surface layer, microgeometry of the surface can be achieved through a rational combination of metallurgical, thermal and deformation processes of the impact on the surface layer of the material implemented in hybrid combined technologies .
Задачей изобретения является получение износостойкой поверхности металлов и их сплавов, применительно к деталям машин и различному режущему инструменту путем сочетания металлургического и термического, а также деформационного процессов воздействия на поверхностный слой материала.The objective of the invention is to obtain a wear-resistant surface of metals and their alloys, as applied to machine parts and various cutting tools, by combining metallurgical and thermal, as well as deformation processes of action on the surface layer of the material.
Поставленная задача решается способом, предусматривающим использование управляемой по мощности лазерной плазмы и ультразвука, воздействующих на обрабатываемую поверхность, при этом способ предусматривает два варианта его реализации.The problem is solved by a method involving the use of a power-controlled laser plasma and ultrasound acting on the treated surface, and the method provides two options for its implementation.
По первому варианту, в способе получения износостойкой поверхности металлов и их сплавов, включающем легирование поверхностного слоя путем непрерывного воздействия на него лазерной плазмой оптического разряда в парах металла, согласно изобретению легирующий элемент или элементы подают непосредственно в лазерную плазму, при этом плотность мощности лазерного излучения Wp определяется из условия:According to the first embodiment, in a method for producing a wear-resistant surface of metals and their alloys, including doping the surface layer by continuously exposing it to a laser plasma with an optical discharge in metal vapors, according to the invention, the alloying element or elements are supplied directly to the laser plasma, wherein the laser radiation power density W p is determined from the condition:
В качестве металла могут быть использованы различные марки сталей и сплавов.As a metal, various grades of steels and alloys can be used.
Лазерная плазма является приповерхностной и расположена на расстоянии h от обрабатываемой поверхности, определяемом зависимостью:The laser plasma is near-surface and is located at a distance h from the treated surface, determined by the dependence:
O<h<Dп/2,O <h <D p / 2,
где Dп - диаметр приповерхностной лазерной плазмы в парах металла.where D p is the diameter of the surface laser plasma in metal vapor.
Приповерхностную лазерную плазму поджигают любым известным способом, предпочтительно лазерным лучом в парах металла.The surface laser plasma is ignited by any known method, preferably a laser beam in metal vapor.
Приповерхностную лазерную плазму поддерживают в непрерывном оптическом разряде, при этом плотность мощности - Wp лазерного излучения для поджига и образования приповерхностной лазерной плазмы оптического разряда в парах металла выбирают из условияThe surface laser plasma is maintained in a continuous optical discharge, while the power density W p of the laser radiation for ignition and the formation of a surface laser plasma of an optical discharge in metal vapor is selected from the condition
где 
Для поддержания оптического разряда плотность мощности лазерного излучения Wp может быть снижена на один - два порядка [14]. Поэтому плотность мощности лазерного излучения, которую выбирают для лазерно-плазменного легирования, определяется условиемTo maintain an optical discharge, the laser power density W p can be reduced by one to two orders of magnitude [14]. Therefore, the power density of the laser radiation, which is chosen for laser-plasma doping, is determined by the condition
Перемещение энергетического центра приповерхностной лазерной плазмы оптического разряда в парах металла относительно обрабатываемой поверхности, для изменения режимов обработки поверхностного слоя, осуществляют в пределах, определяемых неравенствомThe movement of the energy center of the surface laser plasma of an optical discharge in metal vapor relative to the surface being treated, to change the processing regimes of the surface layer, is carried out within the limits determined by the inequality
O<ΔF<Dп/2,O <ΔF <D p / 2,
где Dп - диаметр приповерхностной лазерной плазмы оптического разряда в парах металла;where D p is the diameter of the surface laser plasma of an optical discharge in metal vapor;
ΔF - величина дефокусировки или положение фокальной плоскости с энергетическим центром лазерной плазмы относительно обрабатываемой поверхности.ΔF is the defocusing value or the position of the focal plane with the energy center of the laser plasma relative to the treated surface.
Точное расстояние между энергетическим центром лазерной плазмы и обрабатываемой поверхностью определяется из условия равенства давления, создаваемого силами поверхностного натяжения - σ, и давлением, оказываемым плазмой на расплав металла [15].The exact distance between the energy center of the laser plasma and the surface to be treated is determined from the condition that the pressure created by the surface tension forces σ and the pressure exerted by the plasma on the metal melt are equal [15].
В качестве легирующего элемента или элементов, входящих в состав лазерной плазмы, применяют, например углерод, азот, бор, хром и др., при этом легирующий элемент или элементы находятся в лазерной плазме в атомарном и ионизированном состоянии.As an alloying element or elements that make up the laser plasma, for example, carbon, nitrogen, boron, chromium, etc. are used, while the alloying element or elements are in the laser plasma in an atomic and ionized state.
Легирование расплавленного поверхностного слоя обрабатываемой поверхности осуществляют атомами и ионами легирующих элементов, содержащихся в приповерхностной лазерной плазме, которые подаются определенным образом в приповерхностную лазерную плазму оптического разряда из специального инжекторного устройства.The molten surface layer of the treated surface is doped with atoms and ions of alloying elements contained in the surface laser plasma, which are supplied in a specific way to the surface laser plasma of an optical discharge from a special injection device.
В процессе обработки поверхности осуществляют ее сканирование лучом лазера в направлении, перпендикулярном направлению подачи обрабатываемой поверхности. При этом частота сканирования определяется временем существования плазмы без энергетической подпитки лучом лазера.In the process of surface treatment, it is scanned by a laser beam in a direction perpendicular to the feed direction of the surface to be treated. In this case, the scanning frequency is determined by the lifetime of the plasma without energy supply by the laser beam.
Скорость поперечной подачи сканирующего луча лазера определяется частотой сканирования, диаметром пятна воздействия лазерной плазмы на обрабатываемую поверхность, а также коэффициентом перекрытия зон обработки.The speed of the transverse feed of the scanning laser beam is determined by the scanning frequency, the diameter of the spot of the laser plasma on the surface being treated, as well as the coefficient of overlap of the treatment zones.
В процессе подачи обрабатываемой поверхности и воздействия на нее приповерхностной лазерной плазмой происходит ее быстрый нагрев, плавление с образованием жидкой ванны расплава, насыщение ее атомами и ионами легирующих элементов, высокоскоростное охлаждение и упрочняющее воздействие ультразвуком с одновременным уменьшением уровня остаточных напряжений.In the process of feeding the treated surface and exposing it to surface laser plasma, it rapidly heats up, melts with the formation of a molten liquid bath, saturates it with atoms and ions of alloying elements, high-speed cooling and hardening with ultrasound while reducing the level of residual stresses.
Приповерхностная плазма оптического разряда контактирует с поверхностью жидкой фазы ванны расплава, при этом атомы и ионы химических элементов поступают из плазмы на поверхность жидкой фазы, адсорбируются поверхностью расплава, диффундируют в ванну расплава, подвергаются конвективному и термокапилярному переносу и производят легирование поверхностного слоя.A near-surface optical discharge plasma is in contact with the surface of the liquid phase of the melt bath, while atoms and ions of chemical elements come from the plasma to the surface of the liquid phase, are adsorbed by the melt surface, diffuse into the melt bath, undergo convective and thermocapillary transfer, and alloy the surface layer.
По второму варианту способа используют первый вариант способа и дополнительно к нему производят воздействие па обрабатываемую поверхность ультразвуком. При этом воздействие ультразвуком осуществляют перпендикулярно обрабатываемой поверхности или с наклоном вектора воздействия в любую сторону на угол α до 45°.According to the second variant of the method, the first variant of the method is used, and in addition to it, the surface is treated with ultrasound. In this case, the ultrasound effect is carried out perpendicular to the surface being machined or with the inclination of the action vector in any direction by an angle α to 45 °.
Процесс воздействия на обрабатываемую поверхность ультразвуком осуществляют на жидкую фазу поверхностного слоя и на закристаллизовавшуюся после высокоскоростного охлаждения легированную зону поверхности. Происходящая при этом поверхностно-пластическая деформация поверхностного слоя осуществляется при температуре ниже точки солидуса.The process of exposure to the treated surface by ultrasound is carried out on the liquid phase of the surface layer and on the alloyed surface zone that crystallizes after high-speed cooling. The surface-plastic deformation of the surface layer that occurs during this occurs at a temperature below the solidus point.
Воздействие ультразвука на жидкую ванну расплава металла позволяет управлять гидродинамическим движением ванны расплава, изменять кинетику диффузионных процессов и фазовых превращений. Это положительно сказывается на структурно-напряженном состоянии поверхностного слоя, формируются остаточные напряжения сжатия, повышается технологическая прочность при кристаллизации вплоть до полного исключения образования трещин, измельчается структура и повышается равномерность распределения легирующих элементов по сечению поверхностного слоя [5].The effect of ultrasound on a molten metal molten bath allows controlling the hydrodynamic motion of the molten bath and changing the kinetics of diffusion processes and phase transformations. This has a positive effect on the structurally stressed state of the surface layer, residual compressive stresses are formed, technological strength during crystallization increases until cracks are completely eliminated, the structure is crushed, and the uniformity of the distribution of alloying elements over the cross section of the surface layer increases [5].
Достигнутый технический результат заключается в том, что обработка поверхности металлов и их сплавов заявляемым способом позволяет получить высокодисперсную структуру, снизить уровень напряженно-деформационного состояния поверхностного слоя посредством рационального сочетания металлургического, термического, а также деформационного процессов и, в конечном счете, получить высокоизносостойкую поверхность.The technical result achieved is that the surface treatment of metals and their alloys by the claimed method allows to obtain a highly dispersed structure, reduce the level of stress-strain state of the surface layer by a rational combination of metallurgical, thermal, and deformation processes and, ultimately, to obtain a highly wear-resistant surface.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:The invention is illustrated by drawings, which depict:
- Фиг.1. Схема положения фокуса (фокальной плоскости) при поджиге приповерхностной плазмы оптического разряда в парах металла;- Figure 1. The scheme of the position of the focus (focal plane) when firing near-surface plasma of an optical discharge in metal vapor;
- Фиг.2. Перемещение фокальной плоскости относительно обрабатываемой поверхности при лазерно-плазменной-ультразвуковой обработке поверхности;- Figure 2. Moving the focal plane relative to the surface to be treated with laser-plasma-ultrasonic surface treatment;
- Фиг.3. Положение энергетического центра приповерхностной плазмы оптического разряда в парах металла относительно обрабатываемой поверхности;- Figure 3. The position of the energy center of the surface plasma of an optical discharge in metal vapor relative to the treated surface;
- Фиг.4. Схема комбинированного воздействия источников энергии на обрабатываемую поверхность- Figure 4. Scheme of the combined effect of energy sources on the treated surface
- Фиг.5. Схема термического цикла лазерно-плазменной обработки с различными вариантами наложения ультразвуковых колебаний на стадии охлаждения.- Figure 5. The thermal cycle diagram of laser-plasma processing with various options for applying ultrasonic vibrations at the cooling stage.
- Фиг.6. Схема сканирования лазерного луча по обрабатываемой поверхности;- Fig.6. The scheme of scanning the laser beam on the treated surface;
- Фиг.7. График износа поверхностного слоя стали 45, упрочненного различными способами.- Fig.7. The graph of the wear of the surface layer of steel 45, hardened in various ways.
Способ получения износостойкой поверхности металлов и их сплавов предусматривает два варианта его реализации.A method of obtaining a wear-resistant surface of metals and their alloys provides two options for its implementation.
Вариант I.Option I.
Осуществляют поджигание приповерхностной лазерной плазмы оптического разряда в парах металла в химически инертном газе, например аргоне, и дальнейшее ее поддержание (Фиг.1).They carry out the ignition of a surface laser plasma of an optical discharge in metal vapors in a chemically inert gas, such as argon, and its further maintenance (Figure 1).
Для этого луч лазера 1 фокусируют на обрабатываемой поверхности 7, при этом геометрическое положение энергетического центра 5 плазмы 3 относительно обрабатываемой поверхности 7 устанавливают в соответствии со значением ΔF=0 и поджигают приповерхностную плазму 3 в парах металла в непрерывном оптическом разряде. Плазма 3 обретает примерную форму полушара, при этом диаметр сфокусированного пятна dп лазерного излучения на обрабатываемой поверхности 7 при ΔF=0 имеет минимальное значение dп=df, то есть соответствует значению, равному диаметру сфокусированного лазерного излучения df в фокальной плоскости.For this, the
Лазерная плазма является приповерхностной и расположена на расстоянии h от обрабатываемой поверхности, определяемом зависимостью:The laser plasma is near-surface and is located at a distance h from the treated surface, determined by the dependence:
0<h<Dп/2,0 <h <D p / 2,
Далее осуществляют оптический пробой в парах металла посредством луча лазера с плотностью мощности Wp, определяемой неравенствомNext, optical breakdown is carried out in metal vapor by means of a laser beam with a power density W p determined by the inequality
где 
После образования плазмы оптического разряда в парах металла плотность мощности лазерного излучения Wp снижают на один-два порядка для поддержания оптического разряда и осуществляют обработку поверхности из условия:After the formation of an optical discharge plasma in metal vapors, the laser radiation power density W p is reduced by one or two orders of magnitude to maintain an optical discharge and surface treatment is performed from the condition:
где 
Для изменения и выбора рациональных режимов обработки, перемещение энергетического центра 5 лазерной приповерхностной плазмы 3 по высоте относительно обрабатываемой поверхности 7 (Фиг.2) осуществляют в пределах, определяемых неравенствомTo change and select rational processing modes, the movement of the
О<ΔF<Dп/2,O <ΔF <D p / 2,
где Dп - диаметр приповерхностной лазерной плазмы в парах металла;where D p is the diameter of the surface laser plasma in metal vapor;
ΔF - величина дефокусировки или положение фокальной плоскости с энергетическим центром плазмы относительно обрабатываемой поверхности.ΔF is the defocusing value or the position of the focal plane with the energy center of the plasma relative to the treated surface.
Указанные пределы изменения дефокусировки луча лазера определяют наибольшую эффективность лазерно-плазменной обработки поверхности при наименьших энергетических затратах. При ΔF>Dп/2 лазерная плазма не взаимодействует с обрабатываемой поверхностью, а при ΔF<0 плазма оптического разряда в парах металла может погаснуть или трансформироваться в эрозионную плазму.The indicated limits for changing the defocusing of the laser beam determine the highest efficiency of laser-plasma surface treatment at the lowest energy cost. At ΔF> D p / 2, the laser plasma does not interact with the treated surface, and at ΔF <0, the plasma of an optical discharge in metal vapor can go out or transform into an erosion plasma.
Положение фокальной плоскости 4 и энергетического центра 5 иллюстрировано на (Фиг.3).The position of the
Под непрерывным воздействием лазерного излучения и приповерхностной плазмы 3 происходит высокоскоростной нагрев и плавление поверхностного слоя 6 обрабатываемой поверхности 7 материала 8.Under continuous exposure to laser radiation and near-
В целях дополнительного повышения износостойкости обрабатываемой поверхности 7 осуществляют легирование поверхностного слоя обрабатываемой поверхности путем образования приповерхностной лазерной плазмы 3, по меньшей мере, с одним легирующим элементом.In order to further increase the wear resistance of the treated
Легирующие элементы, в качестве которых применяют, например, углерод, азот, бор, хром и др., подаются из специального устройства 9 (инжектируются) в плазму, контактирующую с поверхностью ванны расплава. Ионы и атомы легирующих элементов, находящихся в плазме, адсорбируются поверхностью жидкой фазы 6 ванны расплава поверхностного слоя 7 обрабатываемого материала 8 и насыщают его легирующими элементами за счет диффузии, конвективного и термокапилярного массопереноса, чем достигается высокая скорость металлургического процесса легирования поверхностного слоя металла или сплавов.Alloying elements, which are used, for example, carbon, nitrogen, boron, chromium, etc., are supplied from a special device 9 (injected) into the plasma in contact with the surface of the molten bath. Ions and atoms of alloying elements in the plasma are adsorbed by the surface of the
Обработку поверхности осуществляют сканированием лазерного луча (Фиг.6) с частотой сканирования по оси X, которая определяется временем жизни плазмы без энергетической подпитки лучом лазера.The surface treatment is carried out by scanning a laser beam (Fig.6) with a scanning frequency along the X axis, which is determined by the lifetime of the plasma without energizing the laser beam.
Скорость поперечной подачи сканирующего луча лазера по оси Y определяется частотой сканирования, диаметром пятна воздействия лазерной плазмы на обрабатываемой поверхности, а также коэффициентом перекрытия зон обработки.The speed of the transverse feed of the scanning laser beam along the Y axis is determined by the scanning frequency, the diameter of the spot of the laser plasma on the treated surface, and also the coefficient of overlap of the treatment zones.
Таким образом, воздействие на обрабатываемую поверхность 6 приповерхностной лазерной плазмой 3, легирование ванны расплава поверхностного слоя 6 и высокоскоростное охлаждение закристаллизовавшегося легированного поверхностного слоя позволяют получать высокоизносостойкую поверхность.Thus, exposure of the treated
Вариант II.Option II.
Во втором варианте способа используют первый вариант и дополнительно применяют воздействие на поверхностный слой металла ультразвуком.In the second variant of the method, the first variant is used and ultrasound is additionally applied to the surface layer of the metal.
Процесс легирования плазмой 3 жидкой фазы 6 ванны расплава поверхностного слоя 7 одновременно сопровождается воздействием индентора ультразвукового концентратора 10 генератора ультразвуковых колебаний (Фиг.4) с наклоном вектора воздействия в любую сторону на угол α до 45°.The process of doping with
Ультразвук воздействует на жидкую фазу 6 ванны расплава металла в процессе ее легирования и одновременно на закристаллизовавшийся в результате высокоскоростного охлаждения легированный поверхностный слой 11, осуществляя его поверхностно-пластическую деформацию при температуре ниже точки солидуса.Ultrasound acts on the
Схема термического цикла лазерно-плазменной обработки с различными комбинациями наложения ультразвуковых колебаний показана на (Фиг.5), где по оси абсцисс расположено время воздействия, а по оси ординат - температура поверхности.A diagram of the thermal cycle of laser-plasma processing with various combinations of superposition of ultrasonic vibrations is shown in (Figure 5), where the exposure time is located on the abscissa axis and the surface temperature on the ordinate axis.
Введение ультразвукового поверхностно-пластического деформирования, например, при обработке сталей, на определенном температурном уровне аустенитного состояния материала при его охлаждении вплоть до полного охлаждения может осуществляться по нескольким вариантам пластического деформирования: а); б); в); г) (Фиг.5),The introduction of ultrasonic surface-plastic deformation, for example, when processing steels, at a certain temperature level of the austenitic state of the material when it is cooled down to complete cooling, can be carried out according to several types of plastic deformation: a); b) at); g) (Figure 5),
где Тпл - температура плавления материала;where T PL - the melting temperature of the material;
Ar - температура солидуса;A r is the solidus temperature;
Мн - температура начала мартенситного превращения;M n - the temperature of the onset of martensitic transformation;
Мк - температура конца мартенситного превращения.M to - the temperature of the end of the martensitic transformation.
Варианты пластического деформирования устанавливают не только последовательность воздействий, но и время ввода пластического деформирования (его температурно-временной режим). Применение определенного варианта пластического деформирования зависит от технических требований к обрабатываемому материалу, предназначенному для конкретных условий эксплуатации.Plastic deformation options establish not only the sequence of actions, but also the time of plastic deformation input (its temperature-time regime). The use of a specific version of plastic deformation depends on the technical requirements for the material to be processed, designed for specific operating conditions.
Первый участок а) определяет высокотемпературное состояние образовавшегося аустенита и находится в интервале (900-700)°С, второй участок б) (650-500)°С соответствует метастабильному состоянию аустенита, третий участок в) - соответствует температурному интервалу мартенситного превращения (400-250)°С (для углеродистых сталей) и четвертый участок г) - соответствует состоянию при температуре окружающей среды.The first section a) determines the high-temperature state of the formed austenite and is in the range (900-700) ° С, the second section b) (650-500) ° С corresponds to the metastable state of austenite, the third section c) corresponds to the temperature range of the martensitic transformation (400- 250) ° С (for carbon steels) and the fourth section d) - corresponds to the state at ambient temperature.
Введение ультразвукового деформационного воздействия на этих температурных участках позволяет реализовать несколько схем обработки: а) ВТД - высокотемпературные деформации, б) СТД - среднетемпературные деформации, в) НТД - низкотемпературные деформации, г) деформации при температуре окружающей среды. Осуществление таких обработок путем пластического деформирования в сочетании с высокоскоростным охлаждением материала обеспечивает наследование его субструктурного построения мартенситом и, как результат, формирование комплекса повышенных прочностных, пластических, микрогеометрических и износостойких характеристик материала поверхностного слоя и позволяет получить эффект оптимального упрочнения.The introduction of ultrasonic deformation action at these temperature sections makes it possible to implement several processing schemes: a) HTD - high-temperature deformations, b) STD - medium-temperature deformations, c) NTD - low-temperature deformations, d) deformations at ambient temperature. The implementation of such treatments by plastic deformation in combination with high-speed cooling of the material ensures the inheritance of its substructural construction by martensite and, as a result, the formation of a complex of increased strength, plastic, microgeometric and wear-resistant characteristics of the material of the surface layer and allows to obtain the effect of optimal hardening.
Использование ультразвукового деформирования во всех четырех схемах комбинированной поверхностной обработки исключает проведение дополнительной операции отпуска с целью повышения пластических свойств материала, увеличивая его прочность и формируя микрогеометрию поверхности.The use of ultrasonic deformation in all four schemes of combined surface treatment excludes an additional tempering operation in order to increase the plastic properties of the material, increasing its strength and forming surface microgeometry.
Таким образом, воздействие на обрабатываемую поверхность 6 приповерхностной лазерной плазмой 3, легирование ванны расплава поверхностного слоя 6, высокоскоростное охлаждение обрабатываемой поверхности с одновременным воздействием ультразвуком на жидкую ванну расплава и последующим поверхностно-пластическим деформированием закристаллизовавшегося легированного поверхностного слоя позволяет многократно увеличить износостойкость поверхностного слоя.Thus, exposure to the treated
Для подтверждения многократного повышения износостойкости поверхностного слоя металла после лазерно-плазменного и лазерно-плазменного-ультразвукового упрочнения были проведены испытания на износ образцов из стали 45 ГОСТ 1050-88 в нормализованном состоянии. Испытания проводились на машине для испытаний материалов на трение и износ ИИ 5018 (производства ОАО «ТОЧМАШ») по схеме диск-колодка. Сила прижима 100 Н. Испытания проводили без смазки.To confirm a multiple increase in the wear resistance of the surface layer of the metal after laser-plasma and laser-plasma-ultrasonic hardening, wear tests were carried out on samples of steel 45 GOST 1050-88 in a normalized state. The tests were carried out on a machine for testing materials for friction and wear AI 5018 (manufactured by JSC TOCHMASH) according to the disk-block scheme. The clamping force is 100 N. The tests were carried out without lubrication.
Как известно из практики во многих случаях износ деталей машин и механизмов на величину, равную 0,2…0,3 мм [1, 2], приводит к выводу деталей из эксплуатации, поэтому режимы упрочнения образцов плазмой и лучом лазера были выбраны, исходя из условия, что глубина упрочненного слоя не превышала 0,5 мм.As is known from practice, in many cases the wear of machine parts and mechanisms by an amount equal to 0.2 ... 0.3 mm [1, 2] leads to the decommissioning of parts, therefore, the modes of hardening the samples by plasma and laser beam were chosen based on conditions that the depth of the hardened layer did not exceed 0.5 mm
Исходная шероховатость упрочняемой поверхности образца после шлифования составляла Ra≈0,8 мкм. Измерение твердости упрочняемой поверхности производилось микротвердомером модели ПМТ-3. Ультразвуковое, плазменное, лазерное упрочнение поверхности наносилось в виде дорожек с коэффициентом перекрытия - Кп≈0,3…0,4.The initial roughness of the hardened surface of the sample after grinding was Ra≈0.8 μm. The hardness of the hardened surface was measured using a PMT-3 model microhardness tester. Ultrasonic, plasma, laser hardening of the surface was applied in the form of tracks with an overlap coefficient of K p ≈0.3 ... 0.4.
Ультразвуковое упрочнение производилось на ультразвуковом генераторе УЗГЗ-0,4 с индентором из шарикоподшипниковой стали ШХ-15.Ultrasonic hardening was carried out on an ultrasonic generator UZGZ-0.4 with an indenter made of ball-bearing steel ШХ-15.
Необходимо отметить, что применение ультразвукового поверхностно-пластического деформирования поверхности при всех схемах комбинированной поверхностной обработки исключает проведение дополнительной операции отпуска с целью повышения пластических свойств материала, увеличивая его прочность и формируя микрогеометрию поверхности.It should be noted that the use of ultrasonic surface-plastic deformation of the surface in all schemes of combined surface treatment excludes an additional tempering operation in order to increase the plastic properties of the material, increasing its strength and forming surface microgeometry.
Шероховатость поверхности после комбинированной обработки находилась в пределах 0,2<Ra<0,4 мкм.The surface roughness after combined treatment was within 0.2 <Ra <0.4 μm.
Плазменное упрочнение производилось на установке УФПУ-110 (производство НПФ «Плазмацентр»).Plasma hardening was carried out using the UVPU-110 unit (production of NPF Plazmatsentr).
Лазерное упрочнение производилось па волоконном лазере модели ЛС-2, длина волны λ=1,06 мкм (производство ИРЭ-ПОЛЮС).Laser hardening was performed on a fiber laser of the LS-2 model, wavelength λ = 1.06 μm (production of IRE-POLYUS).
Микротвердость обрабатываемой поверхности образца в исходном состоянии H50=2200 МПа.The microhardness of the treated surface of the sample in the initial state is H 50 = 2200 MPa.
Микротвердость поверхности после ультразвуковой обработки Н50=3300 МПа.Microhardness of the surface after ultrasonic treatment H 50 = 3300 MPa.
Микротвердость поверхности после плазменного упрочнения Н50=8200 МПа.Microhardness of the surface after plasma hardening H 50 = 8200 MPa.
Микротвердость поверхности после лазерного упрочнения Н50=8500 МПа.Microhardness of the surface after laser hardening N 50 = 8500 MPa.
Микротвердость поверхности после лазерно-ультразвукового упрочнения Н50=8900 МПа.Microhardness of the surface after laser-ultrasonic hardening N 50 = 8900 MPa.
Микротвердость поверхности после лазерно-плазменно-ультразвукового упрочнения H50=12500 МПа - для углеродсодержащей плазмы.Microhardness of the surface after laser-plasma-ultrasonic hardening H 50 = 12500 MPa - for carbon-containing plasma.
Как известно [1, 2, 3] повышение твердости поверхности является одной из главных предпосылок повышения износостойкости, особенно при абразивном износе.As is known [1, 2, 3], an increase in surface hardness is one of the main prerequisites for increasing wear resistance, especially with abrasive wear.
Подтверждением улучшения механических характеристик является иллюстрация зависимости износа поверхности слоя от времени испытаний, на примере стали 45, приведенная на (Фиг.7),Confirmation of the improvement of the mechanical characteristics is an illustration of the dependence of the wear of the surface of the layer on the test time, for example, steel 45, shown in (Fig.7),
где G - масса износа;where G is the mass of wear;
L - путь трения.L is the friction path.
Кривые на графике обозначают:The curves on the graph indicate:
- д - кривая износа при исходном состоянии материала;- d - wear curve in the initial state of the material;
- ж - кривая износа после ультразвуковой обработки;- g - wear curve after ultrasonic treatment;
- з - кривая износа после плазменного упрочнения;- h - wear curve after plasma hardening;
- и - кривая износа после лазерного упрочнения;- and - wear curve after laser hardening;
- к - кривая износа после лазерно-ультразвукового упрочнения;- k - wear curve after laser-ultrasonic hardening;
- л - кривая износа после лазерно-плазменно-ультразвуковой обработки.- l - wear curve after laser-plasma-ultrasonic treatment.
Из представленного графика видно что, металл, обработанный заявляемым способом, кривая (л), обладает примерно в 3 раза лучшей износостойкостью по сравнению с наилучшим достижением (кривая к), полученным после лазерно-ультразвукового упрочнения.From the presented graph it can be seen that the metal processed by the claimed method, the curve (l), has about 3 times better wear resistance compared to the best achievement (curve k) obtained after laser-ultrasonic hardening.
По сравнению же с исходным состоянием металла до обработки после лазерно-плазменной и лазерно-плазменно-ультразвуковой обработки износостойкость поверхности металла возросла примерно в 12 раз.Compared with the initial state of the metal before processing after laser-plasma and laser-plasma-ultrasonic treatment, the wear resistance of the metal surface increased by about 12 times.
Кроме лабораторных испытаний образцов были проведены исследования показателей деталей, эксплуатировавшихся в реальных условиях, которые подтвердили высокую работоспособность обработанных поверхностей.In addition to laboratory testing of samples, studies were carried out on the performance of parts that were operated in real conditions, which confirmed the high performance of the treated surfaces.
Способ успешно прошел промышленные испытания и полученные образцы обработанных деталей подтверждают возможность его реализации.The method has successfully passed industrial tests and the obtained samples of machined parts confirm the possibility of its implementation.
Источники информацииInformation sources
1. Гаркунов Д.Н. Триботехника. - М.: Машиностроение, 1985. - 424 с.1. Garkunov D.N. Tribotechnology. - M.: Mechanical Engineering, 1985 .-- 424 p.
2. Трение, износ и смазка (трибология и триботехника) /А.В.Чичинадзе, Э.М.Берлинер, Э.Д.Браун и др./ Под общ. ред. А.В.Чичинадзе. - М.: Машиностроение, 2003. - 576 с.2. Friction, wear and lubrication (tribology and tribotechnology) / A. V. Chichinadze, E. M. Berliner, E. D. Brown and others / Under the general. ed. A.V. Chichinadze. - M.: Mechanical Engineering, 2003 .-- 576 p.
3. Материаловедение: Учебник для вузов / Б.Н.Арзамасов, В.И.Макарова, Г.Г.Мукин. Под общ. ред. Б.Н.Арзамасова. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2002. - 648 с.3. Material science: Textbook for high schools / B.N. Arzamasov, V.I. Makarova, G. G. Mukin. Under the total. ed. B.N. Arzamasova. - M.: Publishing House of MSTU. N.E.Bauman, 2002 .-- 648 p.
4. Полевой С.Н., Евдокимов В.Д. Упрочнение машиностроительных материалов: Справочник. - М.: Машиностроение, 1994. - 496 с.4. Field S. N., Evdokimov V. D. Strengthening Engineering Materials: A Handbook. - M.: Mechanical Engineering, 1994 .-- 496 p.
5. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2006. - 664 с.5. Grigoryants A.G., Shiganov I.N., Misyurov A.I. Technological processes of laser processing. - M.: Publishing House of MSTU. N.E.Bauman, 2006 .-- 664 p.
6. Лазерная техника и технологии. В 7 кн. (кн.6): Основы лазерного термоупрочнения сплавов: Учеб. пособие для вузов / А.Г.Григорьянц, А.Н.Сафонов, 1988 г. - 159 с.6. Laser equipment and technologies. In 7 kn. (book 6): Fundamentals of laser thermal hardening of alloys: Textbook. manual for universities / A.G. Grigoryants, A.N.Safonov, 1988 - 159 p.
7. Кайдалов А.А. Электронно-лучевая сварка и смежные технологии. - Киев: Экотехнология, 2004. - 260 с.7. Kaydalov A.A. Electron beam welding and related technologies. - Kiev: Ecotechnology, 2004. - 260 p.
8. Рыбакова Л.М., Куксенова Л.И. Структура и износостойкость металла. - М.: Машиностроение, 1982. - 212 с.8. Rybakova L.M., Kuksenova L.I. The structure and wear resistance of the metal. - M.: Mechanical Engineering, 1982. - 212 p.
9. Лазерная техника и технологии. В 7 кн. (кн.3): Методы поверхностной лазерной обработки: Учеб. пособие для вузов / А.Г.Григорьянц, А.Н.Сафонов, 1987 г. - 191 с.9. Laser equipment and technologies. In 7 kn. (book 3): Methods of surface laser processing: Textbook. manual for universities / A.G. Grigoryants, A.N.Safonov, 1987 - 191 p.
10. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Чирков A.M. Гибридные технологии лазерной сварки. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2004. - 52 с.10. Grigoryants A.G., Shiganov I.N., Chirkov A.M. Hybrid laser welding technology. - M.: Publishing House of MSTU. N.E.Bauman, 2004 .-- 52 p.
11. Забелин A.M., Шиганов И.Н., Чирков A.M., Хрусталев Ю.А. Гибридные технологии лазерной наплавки. - М.: Изд-во МГОУ, 2007. - 132 с.11. Zabelin A.M., Shiganov I.N., Chirkov A.M., Khrustalev Yu.A. Hybrid laser surfacing technology. - M.: Publishing House of the Moscow State Educational University, 2007 .-- 132 p.
12. Забелин A.M., Оришич A.M., Чирков A.M. Лазерные технологии машиностроения: Учебное пособие / Новосиб. гос. ун-т, Новосибирск, 2004. - 142 с.12. Zabelin A.M., Orishich A.M., Chirkov A.M. Laser technology of mechanical engineering: Textbook / Novosib. state University, Novosibirsk, 2004 .-- 142 p.
13. Даньщиков Е.В., Дымшаков В.А. и др. // Известия. Академия наук СССР, сер. физическая, 1985, т.49, №4. с.811-827.13. Danshchikov E.V., Dymshakov V.A. and others // News. USSR Academy of Sciences, ser. physical, 1985, t. 49, No. 4. p. 811-827.
14. Веденов А.А., Гладуш Г.Г. Физические процессы при лазерной обработке материалов. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 208 с.14. Vedenov A.A., Gladush G.G. Physical processes during laser processing of materials. - M .: Energoatomizdat, 1985 .-- 208 p.
15. «Способ лазерно-плазменного полирования металлической поверхности» Патент на изобретение №2381094. Зарег. в Гос. реестре РФ 10.02.2010.15. "The method of laser-plasma polishing of a metal surface" Patent for the invention No. 2381094. Zareg. in the state. the register of the Russian Federation 02.10.2010.
Claims (27)
где
Where
0<h<Dп/2,
где Dп - диаметр приповерхностной лазерной плазмы оптического пробоя в парах металла.2. The method according to claim 1, characterized in that they burn a surface laser plasma at a distance h from the treated surface, determined from the condition:
0 <h <D p / 2,
where D p is the diameter of the surface laser plasma of optical breakdown in metal vapor.
где
Where
0<ΔF<Dп/2,
где Dп - диаметр приповерхностной лазерной плазмы оптического разряда в парах металла, ΔF - величина дефокусировки или положения фокальной плоскости с энергетическим центром лазерной плазмы относительно обрабатываемой поверхности.6. The method according to claim 2, characterized in that the energy center of the near-surface laser plasma of the optical discharge is displaced in metal vapor relative to the surface being treated to change the processing regimes of the surface layer within the limits determined from the condition:
0 <ΔF <D p / 2,
where D p is the diameter of the surface laser plasma of an optical discharge in metal vapor, ΔF is the defocusing value or the position of the focal plane with the energy center of the laser plasma relative to the surface being treated.
где
Where
0<h<Dп/2,
где Dп - диаметр приповерхностной лазерной плазмы оптического пробоя в парах металла.14. The method according to p. 13, characterized in that they ignite a surface laser plasma at a distance h from the surface to be treated, determined from the condition:
0 <h <D p / 2,
where D p is the diameter of the surface laser plasma of optical breakdown in metal vapor.
где
Where
0<ΔF<Dп/2,
где Dп - диаметр приповерхностной лазерной плазмы оптического разряда в парах металла, ΔF - величина дефокусировки или положения фокальной плоскости с энергетическим центром лазерной плазмы относительно обрабатываемой поверхности.18. The method according to p. 13, characterized in that the energy center of the near-surface laser plasma of the optical discharge is displaced in metal vapor relative to the surface being treated to change the processing regimes of the surface layer within the limits determined from the condition:
0 <ΔF <D p / 2,
where D p is the diameter of the surface laser plasma of an optical discharge in metal vapor, ΔF is the defocusing value or the position of the focal plane with the energy center of the laser plasma relative to the surface being treated.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010110782/02A RU2445378C2 (en) | 2010-03-22 | 2010-03-22 | Method for obtaining wear-resistant surface of metals and their alloys (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010110782/02A RU2445378C2 (en) | 2010-03-22 | 2010-03-22 | Method for obtaining wear-resistant surface of metals and their alloys (versions) |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2010110782A RU2010110782A (en) | 2011-09-27 |
| RU2445378C2 true RU2445378C2 (en) | 2012-03-20 |
Family
ID=44803579
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010110782/02A RU2445378C2 (en) | 2010-03-22 | 2010-03-22 | Method for obtaining wear-resistant surface of metals and their alloys (versions) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2445378C2 (en) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2510319C2 (en) * | 2012-07-13 | 2014-03-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ставропольский государственный аграрный университет" | Method of making wearproof coating |
| RU2526342C1 (en) * | 2013-05-15 | 2014-08-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГУ имени Гагарина Ю.А.) | Method of coating application |
| RU2527511C1 (en) * | 2013-02-28 | 2014-09-10 | Общество с ограниченной ответственностью "СВЧ ЛАБ" | Hard-facing of metal articles to produce nanostructured surface layers |
| RU2637039C1 (en) * | 2017-01-16 | 2017-11-29 | Публичное акционерное общество "Челябинский трубопрокатный завод" (ПАО "ЧТПЗ") | Method of pipe fabrication by welding |
| RU2646652C1 (en) * | 2016-12-28 | 2018-03-06 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный космический научно-производственный центр имени М.В. Хруничева" (ФГУП "ГКНПЦ им. М.В. Хруничева") | Method of erosion-radiation of surfaces of metal parts surfaces and device for its use |
| RU2699602C1 (en) * | 2019-04-02 | 2019-09-06 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ростовский государственный университет путей сообщения" (ФГБОУ ВО РГУПС) | Method of laser hardening of metal surfaces |
| 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 |
| RU2718503C1 (en) * | 2019-11-18 | 2020-04-08 | Александр Григорьевич Григорьянц | Method of forming surface composite layer in metals |
| 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 |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2526105C2 (en) * | 2012-04-19 | 2014-08-20 | Некоммерческое партнерство "Вятский лазерный инновационно-технологический центр" | Method of laser-plasma nano-structuring of metal surface |
| RU2618287C2 (en) * | 2015-08-04 | 2017-05-03 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" (КНИТУ-КАИ) | Method of laser treatment of article (versions) and device for its implementation (versions) |
| CN107760861A (en) * | 2017-12-08 | 2018-03-06 | 天津大学 | A kind of laser for bearing of wind power generator surface melts surface modification device and method again |
| CN110484914B (en) * | 2019-09-03 | 2021-05-18 | 大连理工大学 | Device and method for follow-up ultrasonic-assisted direct laser deposition of ceramic-reinforced metal matrix composite material |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU128957A1 (en) * | 1959-09-19 | 1959-11-30 | А.А. Ерохин | The method of transmission of ultrasonic vibrations to the molten metal of the weld pool |
| RU2007499C1 (en) * | 1991-06-04 | 1994-02-15 | Гуреев Дмитрий Михайлович | Method of surface alloying of articles made of metals and alloys |
| RU88307U1 (en) * | 2009-07-17 | 2009-11-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Донской государственный технический университет | INSTALLATION FOR LASER-ULTRASONIC SURFACE TREATMENT OF METALS |
-
2010
- 2010-03-22 RU RU2010110782/02A patent/RU2445378C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU128957A1 (en) * | 1959-09-19 | 1959-11-30 | А.А. Ерохин | The method of transmission of ultrasonic vibrations to the molten metal of the weld pool |
| RU2007499C1 (en) * | 1991-06-04 | 1994-02-15 | Гуреев Дмитрий Михайлович | Method of surface alloying of articles made of metals and alloys |
| RU88307U1 (en) * | 2009-07-17 | 2009-11-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Донской государственный технический университет | INSTALLATION FOR LASER-ULTRASONIC SURFACE TREATMENT OF METALS |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| А.Г.ГРИГОРЬЯНЦ и др. Технологические процессы лазерной обработки. - М.: издательство МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2006, с.95-110, 331. * |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2510319C2 (en) * | 2012-07-13 | 2014-03-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ставропольский государственный аграрный университет" | Method of making wearproof coating |
| RU2527511C1 (en) * | 2013-02-28 | 2014-09-10 | Общество с ограниченной ответственностью "СВЧ ЛАБ" | Hard-facing of metal articles to produce nanostructured surface layers |
| RU2526342C1 (en) * | 2013-05-15 | 2014-08-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГУ имени Гагарина Ю.А.) | Method of coating application |
| RU2646652C1 (en) * | 2016-12-28 | 2018-03-06 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный космический научно-производственный центр имени М.В. Хруничева" (ФГУП "ГКНПЦ им. М.В. Хруничева") | Method of erosion-radiation of surfaces of metal parts surfaces and device for its use |
| RU2637039C1 (en) * | 2017-01-16 | 2017-11-29 | Публичное акционерное общество "Челябинский трубопрокатный завод" (ПАО "ЧТПЗ") | Method of pipe fabrication by welding |
| RU2699602C1 (en) * | 2019-04-02 | 2019-09-06 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ростовский государственный университет путей сообщения" (ФГБОУ ВО РГУПС) | Method of laser hardening of metal surfaces |
| 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 |
| RU2718503C1 (en) * | 2019-11-18 | 2020-04-08 | Александр Григорьевич Григорьянц | Method of forming surface composite layer in metals |
| 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 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2010110782A (en) | 2011-09-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2445378C2 (en) | Method for obtaining wear-resistant surface of metals and their alloys (versions) | |
| Kulka et al. | Microstructure and properties of laser-borided 41Cr4 steel | |
| Lesyk et al. | Surface microrelief and hardness of laser hardened and ultrasonically peened AISI D2 tool steel | |
| Jae-Ho et al. | Laser surface hardening of AISI H13 tool steel | |
| US4015100A (en) | Surface modification | |
| Vollertsen et al. | State of the art of laser hardening and cladding | |
| Fu et al. | Surface hardening of 30CrMnSiA steel using continuous electron beam | |
| Qutaba et al. | A review on peening processes and its effect on surfaces | |
| IL46078A (en) | Method of case-alloying metals such as steel or cast iron | |
| Gorunov et al. | Investigation of microstructure and properties of low-carbon steel during ultrasonic-assisted laser welding and cladding | |
| Lei et al. | Reducing geometrical, physical, and chemical constraints in surface integrity of high-performance stainless steel components by surface modification | |
| Adebiyi et al. | Microstructural evolution at the overlap zones of 12Cr martensitic stainless steel laser alloyed with TiC | |
| Jong-Do et al. | Laser transformation hardening on rod-shaped carbon steel by Gaussian beam | |
| Jegadheesan et al. | State of art: Review on laser surface hardening of alloy metals | |
| Tokarev et al. | Laser-plasma treatment of structural steel | |
| Raza et al. | Surface modification of high-carbon steel using fiber laser and its thermal, microstructural and tribological analysis | |
| Kapustynskyi et al. | Optimization of the parameters of local laser treatment for the creation of reinforcing ribs in thin metal sheets | |
| Kumar et al. | Thermal behaviour of TIG arc surfacing affecting mechanical properties of AISI 4340 steel substrate under static and dynamic loading | |
| Rathod et al. | Laser surface hardening of ductile irons | |
| Danyleiko et al. | Increasing wear and corrosion resistance of steel products by combined laser thermomechanical treatment | |
| Van Huy et al. | Developing installation to increase cylindrical part surface hardness | |
| Kang et al. | Plasma diode electron beam heat treatment of cast iron: effect of direct preheating | |
| Ahmed Obeidi | Laser processing of metallic surfaces for controlled micro-texturing and metallic bonding | |
| Burlachenko et al. | Increase of Durability Transmission Mechanism Based on the Laser Processing Improvement | |
| He et al. | How to improve surface integrity in discrete laser spot hardening of AISI 4140 when using a fiber laser with the Gaussian beam: A dynamic multi-pass approach based on time-domain energy modulation |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180323 |