RU2786263C1 - Способ лазерного легирования инструментальной стали порошками карбида бора и алюминия - Google Patents

Способ лазерного легирования инструментальной стали порошками карбида бора и алюминия Download PDF

Info

Publication number
RU2786263C1
RU2786263C1 RU2022107741A RU2022107741A RU2786263C1 RU 2786263 C1 RU2786263 C1 RU 2786263C1 RU 2022107741 A RU2022107741 A RU 2022107741A RU 2022107741 A RU2022107741 A RU 2022107741A RU 2786263 C1 RU2786263 C1 RU 2786263C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
tool steel
product
pulsed laser
powders
wear
Prior art date
Application number
RU2022107741A
Other languages
English (en)
Inventor
Андрей Борисович Лупсанов
Ундрах Лгагвасуренович Мишигдоржийн
Андрей Валерьевич Номоев
Илья Андреевич Южаков
Степан Леонтьевич Лысых
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физического материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физического материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физического материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук
Application granted granted Critical
Publication of RU2786263C1 publication Critical patent/RU2786263C1/ru

Links

Images

Abstract

Изобретение относится к металлургии, в частности, к модификации поверхностных свойств металлов и сплавов концентрированными потоками энергии методом обработки насыщающих смесей импульсным лазером, обеспечивающим получение структур с высокими эксплуатационными поверхностными свойствами и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей машин и инструментов. Способ формирования износо- и коррозионностойкого покрытия на поверхности изделия из инструментальной стали, включающий нанесение с помощью клея пастообразной композиции из порошков легирующих компонентов на поверхность изделия из инструментальной стали и ее облучение сканирующим импульсным лучом лазера. Осуществляют нанесение на поверхность изделия с помощью клея БФ-6 пастообразной композиции, содержащей фторид натрия и порошки легирующих компонентов карбида бора и алюминия при соотношении, в мас.%: 78% B4C + 18% Al + 4% NaF, и проводят облучение поверхности изделия сканирующим импульсным лучом лазера, причем при облучении осуществляют лазерное оплавление короткоимпульсным лазерным излучением ближнего инфракрасного диапазона мощностью от 70 до 100 Вт с длительностью импульса не более 100 нс. Обеспечивается формирование износо- и коррозионностойкого защитного слоя толщиной от 40 мкм, содержащий бориды и алюминиды железа. 4 ил.

Description

Изобретение относится к металлургии, в частности, к модификации поверхностных свойств металлов и сплавов концентрированными потоками энергии методом обработки насыщающих смесей импульсным лазером, обеспечивающим получение структур с высокими эксплуатационными поверхностными свойствами (износостойкостью, окалиностойкостью, твердостью, коррозионной стойкостью) и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей машин и инструментов.
Известен способ получения сверхтвердых износостойких покрытий с низким коэффициентом трения на поверхности стальной подложки путем короткоимпульсного лазерного оплавления порошковой обмазки за одну обработку в камере с защитной атмосферой (Способ получения сверхтвердых износостойких покрытий с низким коэффициентом трения, патент RU 2718793 C1, опубликован 14.04.2020 Бюл. № 11). Причем поверхностный слой нагревается до температур 3500°С в результате действия коротких импульсов при лазерном облучении. Длина волны и мощность лазерного излучения не указываются. На поверхность стальной подложки наносят слой порошковой суспензии толщиной 15-100 мкм методами пневмораспыления, окунанием в суспензию или нанесением кистью, валиком. В качестве порошковой композиции используют порошковую смесь следующего состава, мас.%: карбид бора В4С - основа; нитрид бора BN - 0- 60%; графит ГИИ-А - 0-20%. Технический результат при использовании этого способа заключается в получении сверхтвердого износостойкого покрытия с низким коэффициентом трения толщиной в пределах 10-50 мкм за одну обработку, обладающего градиентностью свойств по толщине. Микротвердость поверхности покрытия составляет 1600-4300 HV. Помимо этого, покрытия обладают низким коэффициентом трения 0,03-0,04 со смазкой и 0,1-0,2 без смазки. Недостатком данного способа является необходимость обеспечения защитной атмосферы при обработке импульсным лазером и использование дорогостоящего компонента нитрида бора в порошковой суспензии.
Известен состав шихты для шликерного покрытия изделий из конструкционных сталей, который содержит мас.%: ультрадисперсный порошок алюминия 60-85, дисульфидмолибдена 3-10, оксид олова 1-5, связующее вещество 5-36 (Состав шихты для шликерных покрытий, патент RU (11) 2 757 748(13) C1). Компоненты обмазки наносили на стальные пластины методом окунания. Далее следовала модификация поверхности на технологической лазерной установке RFL-C6000W, работающей в импульсном режиме, при плотности излучения q=6 Дж/мм2. Техническим результатом изобретения является повышение износостойкости функциональных поверхностей изделий из конструкционных сталей в условиях многоциклового контактного нагружения. Недостатком запатентованного состава является низкая твердость покрытия (до 720 HV) по сравнению с заявляемой разработкой.
Известен способ лазерного легирования углеродистых сталей из шликерных обмазок, содержащих карбид бора и хром в равном соотношении (Белова С.А. Возможности лазерного легирования при изготовлении быстрорежущего инструмента // Современные проблемы науки и образования. - 2014. - № 6). Технический результат достигался использованием в качестве связующего вещества в обмазке 5%-ного раствора канифоли в этиловом спирте. Толщина наносимой обмазки составляла 140-160 мкм. Нагрев осуществляли твердотельным лазером импульсного действия «Квант-15», с длительностью 5 мс, мощностью до 5 кВт, размер пятна фокусировки в плоскости обработки от 0,2 мм до 3 мм. Полученные покрытия обладают значительной твердостью (более 10 ГПа) и низкой хрупкостью. Заявлено, что тепловое воздействие до 900°С не приводит к укрупнению зерен основного металла и значительному разупрочнению. Кроме высокой износостойкости покрытия обладают удовлетворительной коррозионной стойкостью. Это указывает на возможность применения таких покрытий в деталях, эксплуатируемых одновременно в условиях износа и агрессивной среды при высоких рабочих температурах. Показано, что лазерным легированием можно существенно повысить твердость и износостойкость поверхности, которые не снижаются при высокотемпературном нагреве. Показано, что свойства полученных поверхностных слоев не уступают свойствам быстрорежущих сталей, работающих в тяжелых условиях эксплуатации. Недостатком данного способа является низкая коррозионная стойкость получаемых покрытий, высокие энергозатраты и ограниченность лазерной установки для реализации различных конфигураций обработки поверхности (отсутствие сканатора).
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ бороалитирования стальных изделий с помощью обмазки, в состав которой входит активная и защитная обмазки (Обмазка для бороалитирования стальных изделий патент RU 2459011 C1 Опубликовано 20.08.2012 Бюл. № 23). Активная обмазка содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: карбид бора 78-88, алюминий 8-18 и фторид натрия 3-4. Для приготовления активной обмазки в качестве связующего используют воду. Защитная обмазка содержит эмаль ЭВТ-100 и оксид алюминия в соотношении 1:1. Для приготовления защитной обмазки в качестве связующего используют силикатный клей и воду в соотношении 1:1. При использовании такой обмазки толщина бороалитированного слоя составляет 80-110 мкм, а микротвердость поверхности покрытия составляет 4 ГПа, при этом микротвердость цепочки, находящейся на границе слой-основа, достигает 23-25,5 ГПа. Недостатком данного способа является длительность обработки в печи, которая составляет порядка 2-4 часов, а также низкая твердость поверхности покрытия.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное изобретение, является формирование износо- и коррозионностойкого защитного слоя толщиной от 40 мкм за счет применения наносекундного импульсного лазерного луча со сканатором, позволяющим в широких пределах и с высокой точностью управлять скоростью перемещения луча и его траекторией. При этом малые размеры зоны термического воздействия излучения, сводят к минимуму коробление и деформацию обрабатываемых изделий. Технический результат достигается за счет формирования фаз, содержащих бор и алюминий.
Для лазерной обработки использовался наносекундный импульсный иттербиевый волоконный лазер (импульсный Yb: волоконный лазер) YLP-V2-1-100-100-100. Использовались следующие параметры работы лазера: длина волны 1070 нм, выходная мощность 50-90 Вт, энергия импульса излучения 1 мДж, длительность импульса 100 нс, диапазон частот импульсов от 50 кГц до 90 кГц. Были протестированы два режима обработки (4 минуты и 10-20 секунд) и два положения лазера с целью изменения фокусировки (выше и ниже).
Для определения микроструктуры, элементного и фазового состава полученных поверхностей использовались методы оптической микроскопии, растровой электронной микроскопии (РЭМ), энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (ЭДС) и рентгеновского анализа. Для этих целей использовались оптический микроскоп Olympus BX43, металлографический микроскоп МЕТАМ РВ-22, сканирующий электронный микроскоп JEOL JSM-6510LV с системой микроанализа INCA Energy 350 и двумерный рентгеновский дифрактометр Phaser 2D Bruker (Cuκα - излучение). Определение показателя микротвердости обработанной поверхности выполнялась микротвердомером ПМТ-3М. Расчет микротвердости проводился по методу восстановленного отпечатка (ГОСТ 9450-76) на программном комплексе Nexsys ImageExpert MicroHandness 2. Метод исследований на износостойкость заключался в определении потери массы исследуемых образцов по мере износа на машине трения. В роли контртела выступал закаленный диск из стали 45, диаметром 50 мм. Частота вращения контртела составляла 60 об/мин. Скорость скольжения составляла 1 м/с. Нагрузка равнялась 64 кг. Измерение массы образцов фиксировались каждые 5 мин., на аналитических весах AND HR-100A. Температуру контртела и образцов определяли с помощью бесконтактного инфракрасного термометра AR 872A. Элементный микроанализ проводился на растровом электронном микроскопе (РЭМ) JEOL JCM-6000 с элементным дисперсионным анализом. Исследования проводились с использованием детектора вторичных и отраженных электронов в режиме высокого вакуума, ускоряющее напряжение равнялось 15 кВ.
На обработанную поверхность стальных образцов (марки стали 3Х2В8Ф, 5ХНМ и 45) с помощью клея БФ-6 наносилась предварительно смешанная паста 78% B4C + 18% Al + 4% NaF (% в весовых). Толщина пасты составляла 1-3 мм. Были обработаны лазером прямоугольные участки поверхности (фиг. 1).
На снимке (фиг. 2) помимо границы между сталью и наплавленным покрытием, средняя толщина которого составляет 44 мкм, отчетливо просматривается промежуточный (переходный) слой, средняя толщина которого составляет 19 мкм. Средний показатель микротвердости этого промежуточного слоя составляет 1500 HV, что превышает средний показатель микротвердости верхнего (внешнего) наплавленного слоя, которые составляет 950 HV. Средний показатель микротвердости стали 3Х2В8Ф в необработанном месте по результатам пяти промеров составляет 230 HV. Показатель микротвердости вырос в 4.2 раза во внешнем слое и в 6.5 раз в промежуточном слое по сравнению с необработанной сталью 3Х2В8Ф.
По результатам всех промеров, сделанных в верхней и нижней части наплавленного слоя и в стали ниже границы раздела, составлен график распределения микротвердости (фиг. 3).
Для проведения исследования на износостойкость были изготовлены образцы из трех марок стали (3Х2В8Ф, 5ХНМ, 45), покрытия которых наплавлялись при различных режимах работы лазера (фиг. 4).

Claims (1)

  1. Способ формирования износо- и коррозионностойкого покрытия на поверхности изделия из инструментальной стали, включающий нанесение с помощью клея пастообразной композиции из порошков легирующих компонентов на поверхность изделия из инструментальной стали и ее облучение сканирующим импульсным лучом лазера, отличающийся тем, что осуществляют нанесение на поверхность изделия с помощью клея БФ-6 пастообразной композиции, содержащей фторид натрия и порошки легирующих компонентов карбида бора и алюминия при соотношении, в мас.%: 78% B4C + 18% Al + 4% NaF, и проводят облучение поверхности изделия сканирующим импульсным лучом лазера, причем при облучении осуществляют лазерное оплавление короткоимпульсным лазерным излучением ближнего инфракрасного диапазона мощностью от 70 до 100 Вт с длительностью импульса не более 100 нс.
RU2022107741A 2022-03-24 Способ лазерного легирования инструментальной стали порошками карбида бора и алюминия RU2786263C1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2786263C1 true RU2786263C1 (ru) 2022-12-19

Family

ID=

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2186872C2 (ru) * 2000-04-17 2002-08-10 Бурятский научный центр СО РАН Способ электроннолучевого борирования стали и чугуна
RU2459011C1 (ru) * 2011-06-23 2012-08-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления" Обмазка для бороалитирования стальных изделий

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2186872C2 (ru) * 2000-04-17 2002-08-10 Бурятский научный центр СО РАН Способ электроннолучевого борирования стали и чугуна
RU2459011C1 (ru) * 2011-06-23 2012-08-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления" Обмазка для бороалитирования стальных изделий

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Белова С.А., Возможности лазерного легирования при изготовлении быстрорежущего инструмента. Современные проблемы науки и образования. 2014, N6. *
Девойно О.Г., Технология формирования износостойких покрытий на железной основе методами лазерной обработки. Минск, БНТУ, 2020, с.52, 172-174. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Popoola et al. Tribological evaluation of mild steel with ternary alloy of Zn-Al-Sn by laser deposition
Xiang et al. Effects of nitrogen flux on microstructure and tribological properties of in-situ TiN coatings deposited on TC11 titanium alloy by electrospark deposition
Morimoto et al. Some properties of boronized layers on steels with direct diode laser
RU2786263C1 (ru) Способ лазерного легирования инструментальной стали порошками карбида бора и алюминия
Makarov et al. Formation of wear-resistant chromium-nickel coating with extra high thermal stability by combined laser-and-heat treatment
An et al. Influence of high current pulsed electron beam treatment on the tribological properties of Al–Si–Pb alloy
RU2704345C1 (ru) Способ внедрения в поверхностный слой углеродистых конструкционных сталей карбидов и оксидов тугоплавких металлов комбинированным пластическим деформированием
Zou et al. Oxidation protection of AISI H13 steel by high current pulsed electron beam treatment
Pyachin et al. Formation of intermetallic coatings by electrospark deposition of titanium and aluminum on a steel substrate
Scendo et al. influence of heat treatment on corrosion of mild steel coated with WC-Co-Al2O3 cermet composite produced by electrospark deposition
Liu et al. Effect of laser power on the microstructure and mechanical properties of TiN/Ti3Al composite coatings on Ti6Al4V
Sibisi et al. Microstructure and microhardness characterization of Cp-Ti/SiAlON composite coatings on Ti-6Al-4V by laser cladding
Manakova et al. On the application of dispersion-hardened SHS electrode materials based on (Ti, Zr) C carbide using electrospark deposition
Podchernyaeva et al. Wear-resistant layered electrospark coatings based on ZrB 2
Paustovskii et al. Materials for the electrospark strengthening and reconditioning of worn metal surfaces
Akhtar et al. Microstructure and Wear Properties of Laser Treated Ni 3 Al Coatings on Low Alloy Medium Carbon Steel
EA031920B1 (ru) Способ нанесения износостойкого покрытия
Zamulaeva et al. Formation of protective coatings on steel Kh12MF by the force of the sequential electric spark treatment by boride and carbon-containing electrodes
Bobzin et al. Investigation of the interfacial reactions between steel and aluminum coatings for hybrid casting
RU2793652C1 (ru) Способ бороалитирования инструментальной стали комбинированным методом
US20080304998A1 (en) Method of hardening titanium and titanium alloys
Bartkowska et al. Laser alloying of Vanadis-6 steel by using powders containing boron and tungsten
RU2696616C1 (ru) Способ алитирования стальных деталей
Hamdy et al. Surface Hardening of Aluminum Alloys by Intermetallic Phases, Synthesized in the Process of Electron Beam Treatment
RU2760770C1 (ru) Способ комбинированного бороалитирования углеродистой стали