RU2700903C1 - Laser thermal strengthening method - Google Patents

Laser thermal strengthening method Download PDF

Info

Publication number
RU2700903C1
RU2700903C1 RU2019112351A RU2019112351A RU2700903C1 RU 2700903 C1 RU2700903 C1 RU 2700903C1 RU 2019112351 A RU2019112351 A RU 2019112351A RU 2019112351 A RU2019112351 A RU 2019112351A RU 2700903 C1 RU2700903 C1 RU 2700903C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
laser
laser beam
spot
beam spot
depth
Prior art date
Application number
RU2019112351A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Вадим Андреевич Моторин
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Волгоградский государственный аграрный университет" (ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ)
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 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Волгоградский государственный аграрный университет" (ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ) filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Волгоградский государственный аграрный университет" (ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ)
Priority to RU2019112351A priority Critical patent/RU2700903C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2700903C1 publication Critical patent/RU2700903C1/en

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/352—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/06—Surface hardening
    • C21D1/09—Surface hardening by direct application of electrical or wave energy; by particle radiation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)
  • Heat Treatment Of Articles (AREA)

Abstract

FIELD: technological processes.SUBSTANCE: invention relates to a method for thermal treatment of metals and can be used for production of wear-resistant structures when making working elements of tillage tools from high-strength cast iron HC 50. Tool surface is subjected to laser action with beam power P = 1.8 kW and with overlap coefficient of laser beam spot 0.3. Multichannel CO-laser is used with continuous mode of operation. A laser beam spot of diameter d = 9 mm is formed. Beam travel speed makes υ=450 mm/s.EFFECT: technical result consists in production of pure bleached layer of high hardness with depth of 0,1 mm.1 cl, 1 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к способам термической обработки металлов, в частности к способам получения износостойких структур при изготовлении рабочих органов почвообрабатывающих орудий.The invention relates to methods for heat treatment of metals, in particular to methods for producing wear-resistant structures in the manufacture of working bodies of tillage tools.

Известны высокоэнергетические лазерные и электроннолучевые импульсные обработки с эффективным модифицированием структуры приповерхностного слоя изделий из различных материалов (Ivanov Y.F., Rotshtein V.P., Proskurovsky D.I., Qrlov P.V., Polestchenko K.N., Ozur G.E., Goncharenko I.M. Pulsed electronbeam treatment of WC-TiC-Co hard-alloy cutting tools: wear resistance and microstructural evolution // Surface and coating technology, 2000. - V. 125. - P. 255-256). Сверхвысокие скорости нагрева (до 106 град/с) тонкого приповерхностного слоя материала (10-1 мм для лазерного и 10-4-10-3 мм для электронного пучков) до закритических температур и формирование предельных градиентов температуры (до 107-108 град/м), обеспечивающих охлаждение приповерхностного слоя за счет теплоотвода в основной объем материала со скоростью 104-109 град/с, определяют необходимые условия образования в приповерхностном слое неравновесных структурно-фазовых состояний. Последние характеризуются более высокими значениями плотности и дисперсности внутренней структуры по сравнению с исходным состоянием материала.High-energy laser and electron beam pulsed processing are known with effective modification of the surface layer structure of products from various materials (Ivanov YF, Rotshtein VP, Proskurovsky DI, Qrlov PV, Polestchenko KN, Ozur GE, Goncharenko IM Pulsed electronbeam treatment of WC-TiC-Co hard-alloy cutting tools: wear resistance and microstructural evolution // Surface and coating technology, 2000.- V. 125. - P. 255-256). Ultrahigh heating rates (up to 10 6 deg / s) of a thin surface layer of the material (10 -1 mm for laser and 10 -4 -10 -3 mm for electron beams) to supercritical temperatures and the formation of extreme temperature gradients (up to 10 7 -10 8 deg / m), which provide cooling of the near-surface layer due to heat removal into the bulk of the material at a rate of 10 4 -10 9 deg / s, determine the necessary conditions for the formation of nonequilibrium structural-phase states in the near-surface layer. The latter are characterized by higher values of the density and dispersion of the internal structure compared with the initial state of the material.

К недостаткам аналога следует отнести низкую стабильность получения равномерной глубины отбела поверхности чугунных рабочих органов почвообрабатывающих орудий.The disadvantages of the analogue include the low stability of obtaining a uniform depth of whitened surface of the cast-iron working bodies of tillage tools.

Известен способ лазерного упрочнения полой металлической заготовки, включающий воздействие лазерным лучом непрерывного действия на поверхность заготовки с образованием расплавленного слоя металла, воздействие лазерным лучом непрерывного действия осуществляют на по меньшей мере одну локальную зону металлической заготовки на заданную глубину с образованием на внешней и внутренней поверхностях стенки заготовки локальных зон переплава с функциональным градиентным слоем, при этом в начале переплава плавно увеличивают мощность лазерного луча от 2 до 10 кВт в течение 200 миллисекунд и плавно уменьшают мощность лазерного луча с 10 кВт до 0 за 400 миллисекунд в конце локального переплава, локальными зонами являются зоны детали, которые при работе подвергают фрикционному, коррозионному, эрозионному износу, металлическую заготовку при необходимости снятия напряжений после локального переплава дополнительно подвергают термической обработке печной или ТВЧ, источник лазерного луча используют в виде волоконного лазера, или твердотельного лазера, или СО2 - лазера, или диодного лазера, для заготовок толщиной свыше 8 мм для равномерности наружного и внутреннего участков переплава может применяться заглубление фокуса в диапазоне 1-4 мм (Патент РФ №2640516 C1, C21D 1/09, B23K 26/354, 09.01.2018 г).A known method of laser hardening of a hollow metal billet, including the action of a continuous laser beam on the surface of the workpiece with the formation of a molten metal layer, the continuous laser beam is applied to at least one local area of the metal workpiece to a predetermined depth with the formation on the outer and inner surfaces of the workpiece wall local zones of remelting with a functional gradient layer, while at the beginning of remelting the laser power gradually increases beam from 2 to 10 kW for 200 milliseconds and smoothly reduce the power of the laser beam from 10 kW to 0 for 400 milliseconds at the end of local remelting, the local zones are the parts that undergo frictional, corrosion, erosion, metal work during operation necessary stress relief remelting after local further subjected to a heat treatment furnace or HDTV, a laser beam source is used as a fiber laser or a solid state laser, or CO 2 - laser diode or manhole pa, for thick preforms more than 8 mm for uniformity of the outer and inner portions remelting can be used penetration of focus in the range 1-4 mm (RF Patent №2640516 C1, C21D 1/09, B23K 26/354, 09.01.2018 g).

К недостаткам аналога следует отнести то, что способ не предусматривает термообработку металлических поверхностей.The disadvantages of the analogue include the fact that the method does not provide for the heat treatment of metal surfaces.

Известен способ обработки изделий из керамики на основе диоксида циркония. Суть способа заключается в том, что после спекания керамики на основе диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, поверхность облучают 1-10 импульсами пучка электронов с энергией 15-30 кэВ, длительностью импульса 30-100 мкс и плотностью 40-100 А/см2 (Патент РФ №2287503 C1, С04В 41/80, С04В 35/48, 20.11.2006 г.).A known method of processing ceramic products based on zirconium dioxide. The essence of the method is that after sintering ceramics based on zirconia stabilized with yttrium oxide, the surface is irradiated with 1-10 pulses of an electron beam with an energy of 15-30 keV, a pulse duration of 30-100 μs and a density of 40-100 A / cm 2 ( RF patent №2287503 C1, С04В 41/80, СВВ 35/48, 11/20/2006).

К недостаткам аналога следует отнести то, что способ не предусматривает термообработку металлических поверхностей.The disadvantages of the analogue include the fact that the method does not provide for the heat treatment of metal surfaces.

В качестве прототипа выбран способ лазерной обработки пластически деформирующего инструмента из оксидной циркониевой керамики, при котором поверхность инструмента подвергают импульсному лазерному воздействию, каждая пачка импульсов которого формирует пятно лазерного луча с определенной мощностью пучка на образце, с коэффициентом перекрытия пятна лазерного луча в диапазоне от 0,1 до 0,9, при этом обработку проводят с частотой следования импульсов от 120 до 130 кГц, числом импульсов в пачке более 95 и мощностью пучка на образце от 12 до 13 Вт, поверхность инструмента подвергают импульсному лазерному воздействию с коэффициентом перекрытия пятна лазерного луча в диапазоне от 0,3 до 0,5. (Патент РФ №2612182 C1, С04В 41/91, В21С 3/02, 02.03.2017).As a prototype, the method of laser processing of a plastic deforming tool made of oxide zirconia ceramics was selected, in which the surface of the tool is subjected to pulsed laser irradiation, each burst of pulses of which forms a laser beam spot with a certain beam power on the sample, with a laser beam spot overlap coefficient in the range from 0, 1 to 0.9, while processing is carried out with a pulse repetition rate of from 120 to 130 kHz, the number of pulses in a packet of more than 95 and the beam power on the sample from 12 to 13 W, erhnost tool is subjected to pulsed laser irradiation from a laser beam spot overlap ratio in the range from 0.3 to 0.5. (RF patent No. 2612182 C1, С04В 41/91, В21С 3/02, 03/02/2017).

Недостатками прототипа является отсутствие условий для формирования стабильного по глубине отбеленного поверхностного слоя по всей поверхности режущей части рабочих органов.The disadvantages of the prototype is the lack of conditions for the formation of a stable in depth bleached surface layer over the entire surface of the cutting part of the working bodies.

Технической задачей данного изобретения является - повышение износостойкости и эксплуатационных характеристик лезвий рабочих органов почвообрабатывающих орудий.The technical task of this invention is to increase the wear resistance and performance characteristics of the blades of the working bodies of tillage tools.

Технический результат - получение заданной стабильной глубины чистого отбеленного слоя глубиной 0,1 мм в режущей части рабочих органов почвообрабатывающих орудий из высокопрочного чугуна, повышение твердости.EFFECT: obtaining a predetermined stable depth of a clean bleached layer with a depth of 0.1 mm in the cutting part of the working bodies of tillage tools from ductile iron, increasing hardness.

Технический результат достигается способом лазерного термоупрочнения, при котором поверхность инструмента подвергают лазерному воздействию, формируя пятно лазерного луча с определенной мощностью пучка на образце, с коэффициентом перекрытия пятна лазерного луча в диапазоне от 0,1 до 0,9, при этом обрабатывают поверхности режущих частей и лезвий рабочих органов из высокопрочного чугуна ВЧ 50 многоканальным СО2 - лазером непрерывным режимом работы, формируют пятно лазерного луча на образце мощностью Р=1,8 кВт, при этом диаметром пятна излучения в зоне обработки формируют равным d=9 мм, обрабатывают со скоростью перемещения υ=450 мм/с и коэффициентом перекрытия пятна лазерного луча 0,3.The technical result is achieved by laser thermal hardening, in which the surface of the tool is subjected to laser irradiation, forming a laser beam spot with a certain beam power on the sample, with a laser beam spot overlap coefficient in the range from 0.1 to 0.9, while the surfaces of the cutting parts are processed and blades working bodies of ductile iron multichannel RF 50 CO 2 - laser continuous operation, the laser beam spot formed on the specimen power P = 1.8 kW, the diameter of the radiation spot tions in the processing zone is formed equal to d = 9 mm, treated with a moving speed υ = 450 mm / s and a spot overlap ratio of the laser beam 0.3.

Отличительные существенные признаки, влияющие на достижение заявленного технического результата:Distinctive essential features affecting the achievement of the claimed technical result:

- обработку проводят лезвий рабочих органов почвообрабатывающих орудий из высокопрочного чугуна ВЧ 50;- the processing is carried out by the blades of the working bodies of the tillage implements of ductile iron VCh 50;

- получение отбела осуществляли многоканальным СО2 - лазером непрерывным режимом работы, мощностью пучка на образце W=1,8 кВт, диаметром пятна излучения в зоне обработки d=9 мм, с коэффициентом перекрытия пятна лазерного луча 0,3 и скоростью перемещения υ=450 мм/с.- bleaching was performed by a multichannel CO 2 laser with continuous operation, the beam power on the sample W = 1.8 kW, the diameter of the radiation spot in the treatment zone d = 9 mm, with a coefficient of overlap of the laser spot of 0.3 and a speed of movement υ = 450 mm / s

Оптимальные режимы способа определялись в процессе эксперимента на автоматизированном лазерно-технологическом комплексе АЛТКУ-3 (многоканальный СО2 - лазер).The optimal modes of the method were determined during the experiment on the automated laser-technological complex ALTKU-3 (multichannel CO 2 laser).

Зональное структурирование отливок долота, обеспечивает их высокую износостойкость и сохранность остроты режущей кромки за счет высокой твердости отбеленного слоя и реализации эффекта самозатачивания при работе плуга, а также создает достаточный уровень сопротивления динамическим нагрузкам за счет бейнитной структуры в основном объеме детали.Zonal structuring of the castings of the bit ensures their high wear resistance and the sharpness of the cutting edge due to the high hardness of the bleached layer and the implementation of the self-sharpening effect during the operation of the plow, and also creates a sufficient level of resistance to dynamic loads due to the bainitic structure in the main part volume.

Пример конкретного выполнения.An example of a specific implementation.

Исследование проводили на термически обработанных образцах (отливках) из чугуна ВЧ50. Режим термической обработки приведен в таблице.The study was conducted on heat-treated samples (castings) of cast iron VCh50. The heat treatment mode is shown in the table.

Figure 00000001
Figure 00000001

Полученные в результате термической обработки структуры исследовали с помощью металлографического микроскопа «Neophot-21» на микрошлифах, травленых 4% ниталем. Локальную твердость упрочненных зон и отдельных структурных составляющих определяли с помощью прибора ПМТ-3. Общую твердость по Роквеллу, а также ударную вязкость по Шарпи определяли стандартными методами по ГОСТ 9012-59, 9013-59 и 9454-78 соответственно. Микротвердость отбеленного ледебуритного слоя, сформированного на чугуне была примерно Н50=10210±1403 МПа. В процессе лазерного термоупрочнения удалось получить отбеленный слой глубиной 0,1 мм.The structures obtained as a result of heat treatment were examined using a Neophot-21 metallographic microscope on microsections etched with 4% nital. The local hardness of the hardened zones and individual structural components was determined using the PMT-3 device. The total Rockwell hardness and Charpy impact strength were determined by standard methods according to GOST 9012-59, 9013-59 and 9454-78, respectively. The microhardness of the bleached ledeburite layer formed on cast iron was approximately H 50 = 10210 ± 1403 MPa. In the process of laser thermal hardening, it was possible to obtain a bleached layer with a depth of 0.1 mm.

Таким образом, заявленный способ лазерного термоупрочнения обеспечивает получение заданной стабильной глубины чистого отбеленного слоя глубиной 0,1 мм в режущей части рабочих органов почвообрабатывающих орудий из высокопрочного чугуна, повышение твердости.Thus, the claimed method of laser thermal hardening provides a given stable depth of a clean bleached layer with a depth of 0.1 mm in the cutting part of the working bodies of tillage tools from ductile iron, increasing hardness.

Claims (1)

Способ лазерного термоупрочнения, включающий лазерное воздействие на поверхность инструмента, при этом формируют пятно лазерного луча с определенной мощностью пучка, отличающийся тем, что обрабатывают поверхность режущих частей и лезвий рабочих органов инструмента из высокопрочного чугуна ВЧ50 многоканальным СО2-лазером с непрерывным режимом работы, формируют пятно лазерного луча с мощностью пучка Р=1,8 кВт, при этом диаметр пятна лазерного луча в зоне обработки формируют равным d=9 мм, обрабатывают со скоростью перемещения υ=450 мм/с и коэффициентом перекрытия пятна лазерного луча 0,3.A method of laser thermal hardening, including laser exposure to the surface of the instrument, forms a laser beam spot with a specific beam power, characterized in that the surface of the cutting parts and the blades of the tool bodies is made of high-strength cast iron VCh50 with a multi-channel CO 2 laser with continuous operation, form a spot of a laser beam with a beam power of P = 1.8 kW, while the diameter of the spot of the laser beam in the treatment zone is formed equal to d = 9 mm, is processed with a speed of movement υ = 450 mm / s and ffitsientom overlapping laser beam spots of 0.3.
RU2019112351A 2019-04-23 2019-04-23 Laser thermal strengthening method RU2700903C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019112351A RU2700903C1 (en) 2019-04-23 2019-04-23 Laser thermal strengthening method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019112351A RU2700903C1 (en) 2019-04-23 2019-04-23 Laser thermal strengthening method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2700903C1 true RU2700903C1 (en) 2019-09-23

Family

ID=68063268

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019112351A RU2700903C1 (en) 2019-04-23 2019-04-23 Laser thermal strengthening method

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2700903C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2792101C1 (en) * 2022-07-01 2023-03-16 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Вятский государственный университет" Method for hardening woodworking tools made of chromium and chromium-silicon steels

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1479526A1 (en) * 1987-08-28 1989-05-15 Всесоюзный научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт электротермического оборудования Method of heat treatment of metal articles
SU1507815A1 (en) * 1987-07-02 1989-09-15 Казахский Филиал Всесоюзного Научно-Исследовательского Института Комбикормовой Промышленности Method and apparatus for heat treatment of steel articles
SU1668417A1 (en) * 1988-10-28 1991-08-07 Ленинградский Политехнический Институт Им.М.И.Калинина Method of heat treatment of cast iron articles
EP2386661B1 (en) * 2010-05-12 2017-07-12 General Electric Company System and method for laser shock peening

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1507815A1 (en) * 1987-07-02 1989-09-15 Казахский Филиал Всесоюзного Научно-Исследовательского Института Комбикормовой Промышленности Method and apparatus for heat treatment of steel articles
SU1479526A1 (en) * 1987-08-28 1989-05-15 Всесоюзный научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт электротермического оборудования Method of heat treatment of metal articles
SU1668417A1 (en) * 1988-10-28 1991-08-07 Ленинградский Политехнический Институт Им.М.И.Калинина Method of heat treatment of cast iron articles
EP2386661B1 (en) * 2010-05-12 2017-07-12 General Electric Company System and method for laser shock peening

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2792101C1 (en) * 2022-07-01 2023-03-16 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Вятский государственный университет" Method for hardening woodworking tools made of chromium and chromium-silicon steels

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2711389C1 (en) Method of increasing wear resistance of working elements from high-strength cast iron with co2-laser
Bohlen et al. Additive manufacturing of tool steel by laser metal deposition
Lauer et al. Influence of the pulse duration onto the material removal rate and machining quality for different types of steel
Aziz et al. Influence of Nd-YAG laser beam on microstructure and wear characteristics of gray cast iron
RU2700903C1 (en) Laser thermal strengthening method
RU2700900C1 (en) Method of heat treatment of cutting tools from high-strength cast iron for development of soils
RU2700898C1 (en) Method for production of bleached layer on the surface of working elements from high-strength cast iron
RU2700899C1 (en) Thermal treatment method of high-strength cast iron with an optical quantum generator
Abd Ali et al. Effect of fibre laser surface treatment on wear resistance of gray cast iron ASTM A48
Charee et al. Experimental investigation and modeling of laser surface melting process for AISI 9254 commercially high silicon spring steel
Yuan et al. Study on processing characteristics and mechanisms of thermally assisted laser materials processing
Rihakova et al. Laser drilling of alumina ceramics using solid state Nd: YAG laser and QCW fiber laser: Effect of process parameters on the hole geometry
Kapustynskyi et al. Optimization of the parameters of local laser treatment for the creation of reinforcing ribs in thin metal sheets
Lesyk et al. Laser transformation hardening effect on hardening zone features and surface hardness of tool steel AISI D2
Ulewicz et al. Impact of Laser Machining on the Structure and Properties of Tool Steels
Rathod et al. Laser surface hardening of ductile irons
Khashan et al. Features of spot-matrix surface hardening of low-carbon steel using pulsed laser
Fauzun et al. Effects of thermal fatigue on laser modified H13 die steel
Newishy et al. Surface treatment of AISI M2 tool steel by laser melting
Al-Tamimi et al. Improvement of microstructure and wear resistance of X12 tool steel by using laser surface re-melting technique
Fauzun et al. Design of laser melting of tool steel for surface integrity enhancement
Zulhishamuddin et al. Optimization of pulsed Nd: YAG laser melting of gray cast iron at different spot sizes for enhanced surface properties
Rout et al. Short pulsed laser ablation of ZA ceramic matrix composite under ancillary environments: A comparative study
Bariman et al. Laser Melting of High Thermal Conductivity Steel (HTCS) Surface
Yaseen et al. Wear Resistance Improvement of Alloy Steel Using Laser Surface Treatment