SU1617007A1 - Способ термической обработки деталей - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к области термической обработки стали с помощью концентрированных источников энергии, конкретнее лазерным лучом, и может быть использовано в машиностроении при изготовлении деталей типа тел вращени . Цель изобретени  - улучшение качества детали путем увеличени  глубины упрочнени  и повышени  твердости. Сущность изобретени  заключаетс  в том, что в способе упрочнени  стальных и чугунных деталей, имеющих форму тел вращени , с помощью непрерывного лазера, включающем вращение деталей при воздействии лазерного излучени  с высокой скоростью и осевое смещение детали относительно лазерного луча, поддерживают температуру на поверхности одного витка при вращении детали в интервале от температуры начала мартенситного превращени  М_н до температуры кипени  металла при одновременном охлаждении участков поверхности детали перед п тном лазерного нагрева и после него. 1 ил., 3 табл.

Description

Изобретение относитс  к терьшчес- кой обработке стали с помощью концентрированных источников энергии, конкретнее лазерным лучом, и может быть использовано.в машиностроении при изготовлении деталей типа тел вращени .

Пель изобретени  - улучшение качества детали путем увеличени  глубины упрочнени  и повышени  твердости .

Сущность изобретени  заключаетс  в том, что при вращении детали тем- пературу на поверхности одного витка выдерживают в интервале от тe пepa- туры начала мартенситного превращени  до температуры кппени  металла при одновременном охлажде1ши участ- ков поверхности деталей перед п тном лазерного нагрева и после него. В процессе охлаждени  температуру участка поверхности перед п тном лазерного нагрева поддерживают на уровне комнатной, а после п тна лазерного нагрева - на уровне течки конца мартенситного превращени .

На чертеже представлена схема дл , осуществлени  предлагаемого способа.

Схема содержит деталь 1, манипул тор 2, пирометры 3 и 4, приемник 5 сигналов,, сопла 6 и 7 дл  подачи охлаждающего газа i-mn жидкости.

а

Расширение интервала температур на поверхности одного витка позвол ет п()пысить плотность мощности лаэер Hoi o или вести обработку с меньшей скоростью. Оба эти фактора привод т к увеличению энерговклада в облучаемую поверхность, к прогреву на большую, глубину и к увеличению глубины упрочненного сло . Верхн   температура на поверхности определ етс  температурой начала металла (железа) , равной 2870 с. При большей .тype на поверхности начинаетс  заметное испарение металла , экранироваьше зоны обработки продуктами испарени , размеры упрочненных слоев могут понижатьс , несмотр  на большой энерговклад. Кроме того, превьпиение температуры испарени  нежелательно из-за резкого ухудшени  микрорельефа поверхности.

Нижн   температура на поверхности может быть равна .точке начала мартен ситного превращени , так как при колебании от теьшературы испарени  до

М

н

распад аустенита не происходит.

При температуре ниже Мц. в слое начинаетс  распад аустенита в мартенсит, что может привести при нагреве от последующего витка к образованию зон отпуска, т.е. к снижению твердости и возрастанию неоднородности по поверхности . Снижение температуры на поверхности до Мц с однородным по- вышегмем ее до позвол ет увеличить врем  аустенитизащи при лазерной закалке железоуглеродистых сталей, что очень важно дл  папуче- ни  достаточной твердости, особенно в нижних сло х зоны термического воздействи . Углерод при этом может диффундировать на большое рассто ние, успевает происходить более полное перераспределение его концентращи между различными составл юпщми, что приводит к повышению общего уровн  твердости при последующем охлаждении

Одновременное охлаждение участков поверхности детали перед лазерным лучом и после него необходимо дл  получени  возможности понижени  нижней граниды температуры до точки М . Без такого дополнительного охлаждени  в районе температуры мини г;альной устойчивости аустенита в процессе охлаждешг  может произойти распад- переохлажденного аустенита на ферритокарбидную смесь, что приво

дит к резкому снижению твердости после обработки. Охлаждение перед лазерным нагревом необходимо также дл  того, чтобы не только при охлаждении , но и в услови х многоциклового нагрева при наложении р да витков избежать нагрева аустенита в область его распада на Ферритоцементитную

Q смесь. Таким образом, без охлаждени  снижение температуры ниже , невозможно .

Температура охлаждени  перед лазерным лучом должна быть выбрана на

5 уровне комнатной. Это позвол ет обеспечить наибольщую технологичность и производительность, обеспечиваетс  также равномерность погло- п(ени  излучени , что позвол ет прсQ вести процесс стабильно. Снижение и повыгаение. температуры охлаждени  требуют затрат подготовительного времени перед лазерной обработкой. Кроме того, повьтение температуры охлажде-

5 ни  может привести к замедлению скорости нагрева и к распаду аустенита на Ферритоцементитную смесь при нагреве , что  вл етс  иредпосьшкой дл  снижени  твердости.

Температура охлаждени  участков поверхности после лазерного луча должна быть выбрана на уровне точки конца мартенситного превращени  М,«. Это обеспечивает практически полное завершение превращени  аустенита в мартенси.т. При большей температуре охлаждени  происходит неполное прев- рардение аустенита, что приводит к снижению твердости. Снижение температуры охлаждени  не приводит к заметному снижению содержани  остаточного аустенита, поскольку в силу высокой скорости охлаждени  после лазерного нагрева процессы стабилизации аусте нита в интервале М - М, выражены слабо. Может згменьшатьс  глубина прогрева, поэтому снижение темпера- туры охлаждени  в данных услови х приводит лишь к усложнению технологии .

0

5

0

0

.

Применение поддержани  температуры на поверхности одного витка от температуры начала мартенситного превращени  Мц до температуры ниже 5 кипени  металла при одновременном охлаждении участков поверхности детали перед лазерным лучом и после него в охлаждающей среде позвол ет

51

увеличить глубину упрочнени  в 1,8 - 2,3 раза и повысить микротвердость на 31 - 51% по сравнению с известным способом.

Способ осуществл ют следующим образом.

Дл  данной марки -стали или чугун из которой изготовлена деталь, по справочнику определ ют характерные температуры точек Мц, 11,, . Температуры Мц и М понижаютс  при увеличении содержани  углерода в стли , исход  из диаметра детали и неоходимой глубины упрочнени  при помощи решений задач теплопроводности определ ют примерные варианты режимов лазерной обработки: мощность излучени  Р, скорость вращени  п, значение осевой подачи Sn при заданном диаметре ц тна df,.

Деталь 1, имеющую форму тела вращени , закрепл ют в манипул торе 2 и сообщают ей вращательно-поступа- тельное перемещение, при этом на ее поверхность воздействуют лазерным излучением. В процессе наложени  нескольких пробных витков определ ют получаемый интервал температур на поверхности за один виток при помощи двух пирометров. Одним пирометром (3) измер ют максимальную температуру нагрева в лазерном п тне в начале витка, а другим пирометром (4) - температуру р дом в конце витка . Рассчитанные ранее режимы лазерной обработки корректируют, максимальную температуру в п тне, определ емую пирометром 3, регулируют чаще всего изменением осевой подачи или плотности мощности

q APAd

при равномерном распределении или Ч макс 8Р/П-а2„

при Гауссовском распределении энергии по п тну, при этом кипение металла обычно начинаетс  при значени х

q Х(20 - 26) 10 Вт/см. (Минимальную температуру нагрева, котора  должна соответствовать температуре точки М„, удобнее -всего регулировать изменением скорости вращени . При этом возможна автоматическа  регулировка температуры при вьтоде сигналов с пирометров в соответствующие приемники 5 сигналов и далее в систему управлени  лазерным комплексом. Температуру поверх

, 70076

кости деталей перед лазерным лучом понижают при подаче охпа одающей

жидкости или холодного газа через сопло 6, а температуру поверхности деталей после лазерного луча понижают при подаче охлаждающей жидкости или холодного газа через сопло 7. Температуру участков контролируют IQ контактными термометрами или термопарами .

В процессе быстрого вращени  на участке поверхности А, захватывающем несколько соседних витков, темпера- ts ч УРЗ может.измен тьс  от Т до М несколько раз. Однако ввиду того, что осуществл етс  охлаждение поверхности после лазерного луча на , уровне температуры М,, охлаждение 20 идет со скоростью вьпае критической и обеспечиваетс  переохлаждение аустенита до температуры М. Далее следует нагрев уже за счет прохождени  п тна по второму витку (если 25 учесть, что обработка ведетс  с

больш1м перекрытием витков). ние поверхности деталей перед лазерным лучом до комнатной температуры приводит к высокой скорости нагрева 30 и предупреждает распад аустенита на ферритоперлитную смесь при нагреве. После смещени  лазерного п тна с участка А и окончани  его нагрева эта часть поверхности охлаждаетс  со сверхкритической скоростью за счет теплоотвода во внутренние слои металла и за счет дополнительного охлаждени  в охлажд акщей среде. Ох- лаладение до температуры М обеспечи- Q вает полное превращение аустенита в мартенсит и получение максимальной дл  данной стали твердости.

Пример 1. Упрочнение прутка из стали 45 диаметром 5 мм.

Д5 Сталь имеет следующие характер о,

35

ные температуры: Ми ,- ML, 70°С,- 2870°С.

Пруток устанавливают во вращающемс  патроне и вращают со скоростью Q п 2850 об/мин. Лазерную обработку ведj при мощности излучени  Р 2,5 кВт. Перед лазерным нагревом и после нагрева поверхность охлаждают водой до температуры 20 С. Температура на поверхности в лазерном п тне и на поверхности витка после лазерного п тна измер ют при помощи пирометров Проминь и регулируют изменением скорости вращени .

5

При различных значеш1 х диаметра, п тна df, и скорости осевой подачи S j достигаютс  различные температурные интервалы на поверхности одного витка . После упрочнени  изготавливают металлографические, шлифы, измер ют I глубину упрочнени  на оптическом ; микроскопе Неофот 21, а микротвер- |дость - на приборе . Данные представлены в табл.1.

Из данных табл.1 видно, что при обработке по предлагаемому способу : при поддержании температуры в интервале от точки H до температуры ни- : же Т , глубина упрочнени  увепичи- jваетс  в 1,8 раза, а микротвердость - на 31% по сравнению с известным спо- ; собой (нагрев в интервале температур j 700°С-Трд без охлаждени  поверхности) : П р и м е р 2. Упрочнение прутка : из стали 45 диаметром,5 мм. Пруток устанавливают во вращающемс  патроне и вращают со Скоростью п 2850 об/мин при осевой подаче Зц 24 мм/С. Лазерную обработку ведут по режимам мощность излучени  Р 2,5 кВТ, диаметр п тна d 2 мм, Температура в центре лазерного п тна составл ет 2800°С, а в конце витка - 350° с. Пе- ре  лазерным нагревом поверхность охлаждают струей воды с различной температурой: вьше, ниже и равной комнатной . Поверхность прутка после лазерного нагрева охлаждают водой до комнатной температуры. После упроч- нени  изготавливают металлографические шлифы, измер ют глубину упрочнени  на оптическом микроскопе Неофот 21, а микротвердость - на при- боре ПМТ-3 .

Данные приведены в табл.2. Из данных табл.2 видно, что при охлаждении участка поверхности перед лазерным нагревом до комнатной темпе ратуры достигаетс  наилучшее сочетание глубины и микротвердости.

Пример 3. Упрочнение прутка из стали 65 диаметром 8 мм.

Сталь имеет след тощие характерные температуры: Ткй, МнЛ.280 С М ц - 20°С.

Пруток устанавливают во вращающемс  патроне и вращают со скоростью р 2000 об/мин при осевой подаче

5 20 мм/с. Лазерную обработку ведут по режимам: мощность излучени  Р 2,5 кВт диаметр п тна df, 2мм. Температура в центре лазерного п т5

5 0 0 35 40

45

50

55

на составл ет 2870 С, а в конце витка - 280 С. Перед лазерным нагревом поверхность охлаждают струей воды до комнатной температуры. Поверхность после лазерного нагрева охлаждают водой до комнатной температуры и струей жидкого азота до и . Провод т упрочнение без- дени  поверхности перед лазерным п тном и после него при dp 3 мм и S.( 12 мм/с, При этом интервал температур на поверхности одного витка 700 - 1400 С, После упрочнени  изготавливают металлографические шлифы, измер ют глубину упрочнени  на оптическом микроскопе Неофот 21, а микротвердость - на приборе ПМТ-3. Данные указаны в табл.3.

Из данных табл.3 видно, что охлаждение поверхности после лазерного нагрева до температуры точки Wj, дает наилучщее сочетание глубины и микротвердости . При обработке по предлагаемому способу глубина упрочнени  увеличиваетс  в 2,3 раза, а микротвердость повьшаетс  примерно на 51% по сравнению с известным способом (без охлаждени  поверхности перед лазерным нагревом и после него) .

Claims (2)

1.Способ термической обработки деталей, преимущественно тел вращени  из стали и чугуна, включающий вращение и осевое смещение детали, нагрев поверхности лучом лазера с формированием локальной зоны, движущейс  вдоль витка вращени  детали, поддержание температуры на поверхности одного витка в заданном интервале значений и охлаждение, о т - лича ю-щийсс  тем, что, с целью улучщени  качества детали путем увеличени  глубины упрочнени  и пог выщени  твердости, охлаждение перед- движущейс  локальной зоной нагрева осуществл ют до температуры не выше комнатной и одновременно после зоны до температуры не выше конца мар- тенситного превращени «

2.Способ по 1, отличающий с   тем, что поддержание температуры на поверхности одного витка провод т в интервале от температуры начала мартенситного превращени  до температуры кипени  металла.

т б л   ц а t

Температура охлаждени  поверхности после нагрева, с

Водой до 20°С азотом до

-20 С (MK)

«М|;) Без охлаждени  поверхности перед лазеным нагревом и после него при dJ 3 мм; Sfj 12 мм/с

Таблица

Таблица 3

8600

9200 9200

6100

луч лазера

1м СУ АПТН

Упрочненные полосы