SU1721100A1

SU1721100A1 - Способ упрочнени тонкостенных металлических изделий

Info

Publication number: SU1721100A1
Application number: SU894764722A
Authority: SU
Inventors: Геннадий Аркадьевич Кузнецов; Валерий Васильевич Нестеренко; Владислав Николаевич Петецкий; Владислав Петрович Рузанов
Original assignee: Красноярский Политехнический Институт
Priority date: 1989-11-30
Filing date: 1989-11-30
Publication date: 1992-03-23

Abstract

Изобретение относитс к технологии машиностроени , в частности к термообработке с использованием высококонцентрированного источника энергии. Цель изобретени - повышение долговечности за счет увеличени предела выносливости и усталостной прочности. Тонкостенную пластину из стали 40Х упрочн ют созданием сжимающих напр жений в поверхностных сло х наиболее нагруженных участков детали путем обработки первоначально поверхности , расположенной по одну сторону от нейтральной плоскости изгиба детали, затем противоположной. Обработку ведут лазерным излучением с режимом, обеспечивающим соотношение толщины детали к глубине упрочненного сло ; равное 13,3.

Description

СЛ

С

Изобретение относитс к технологии обработки, в частности к термообработке высококонцентрированными источниками энергии, и может быть использовано в машиностроении при упрочнении тонкостенных металлических деталей, например пластин, мембран, оболочек, колец, работающих при переменных напр жени х изгиба и кручени , а также подвергающихс износу .

Известен способ изготовлени упругих элементов, преимущественно пластин клапанов из дисперсионно-твердеющих сталей аустенитно-мартенситного класса (см. автор , св. № 1447878, кл. С 21 D 1/09), включающий закалку, холодную пластическую деформацию, строение, вырубку и локальный нагрев лазерным излучением до 700- 100б°С по периметру свободной кромки пластины.

Недостатком данного способа вл етс только повышение сопротивлени разрушению в зоне концентратора напр жений, а сопротивление усталостному разрушению и износостойкость поверхности не измен ютс , причем рекомендации справедливы только дл высоколегированных дисперсионно-твердеющих сталей аустенитно-мартенситного класса, имеющих ограниченную область применени . Следует также отметить сложность технологии термического упрочнени пластин, не исключающей значительные деформации.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату .к предлагаемому вл етс способ упрочнени высоконагруженных металлических деталей (2), включающий поверхностное пластическое деформирование и создание дополнительных сжимающих напр жений путем

-,i

ND

О

поверхностного пластического деформировани в две стадии, причем сначала обрабатывают поверхности, воспринимающие наибольшие эксплуатационные нагрузки и расположенные по одну сторону от нейтральной плоскости изгиба детали, а затем поверхности детали, расположенные по другую сторону. Однако дл создани дополнительных сжимающих напр жений поверхностным пластическим деформированием необходим механический контакт инструмента с деталью, что неприемлемо дл тонкостенных деталей из-за возможного изменени размеров и геометрической формы в поперечном и продольном сечени х детали. Необходимо также отметить невысокую долговечность деталей вследствие малой усталостной прочности и низкой износостойкости деталей.

Цель изобретени - повышение долговечности деталей.

Поставленна цель достигаетс тем, что в способе упрочнени высоконагруженных тонкостенных металлических деталей, включающем создание сжимающих напр жений в поверхностных сло х наиболее на- груженных участков детали путем обработки первоначально поверхности, расположенной по одну сторону от нейтральной плоскости изгиба детали, затем противоположной, обработку ведут лазерным излучением с режимом, обеспечивающим отношение h/Z 12-15, где h - толщина детали; Z - глубина упрочненного сло .

Формирование сжимающих напр жений при обработке лазерным излучением в две стадии может быть проиллюстрировано на примере с плоской пластиной, изготовленной из стали 40Х.

На первой стадии упрочнени пластины обрабатываетс поверхность, котора по услови м эксплуатации более нагружена. В результате обработки лазерным излучением пластина изгибаетс вогнутостью к лазерному лучу, что свидетельствует о формировании в ее поверхностном слое сжимающих остаточных напр жений OAI , На второй стадии упрочнени пластины обрабатываетс друга поверхность. Дл придани пластине исходной пр молинейной формы обработку следует вести на режиме более высоком, на первой стадии. Это объ сн етс тем, что прогибу пластины в направлении первой стороны преп тствует упрочненный на первой стадии обработки поверхностный слой пластины с первой стороны , который повышает изгибную жесткость пластины. На второй стадии

формируютс в поверхностном слое с другой стороны сжимающие остаточные напр жени ОБ и с большей глубиной залегани . Прогиб пластины, св занный с упрочнением другой стороны на повышенном режиме , больше чем при упрочнении ее на режиме, одинаковом с режимом упрочнени первой стадии. Следовательно, и уровень сжимающих напр жений, возникающих в

поверхностном слое с первой стороны от прогиба пластины после второй стадии упрочнени на повышенном режиме, выше. В результате повышени уровн остаточных напр жений сжати охи в наиболее

нагруженном поверхностном слое пластины с первой стороны, который достигаетс при двухстадийном упрочнении, сопротивление пластины усталостному нагружению возрастает. Поверхность упрочн ют импульсным лазерным излучением. Вследствие этого на поверхности образуютс п тна закалки.

Формирование остаточных напр жений в п тне происходит следующим образом .

При нагревании металла лазерным излучением в процессе теплового расширени возникают сжимающие напр жени , увеличивающиес при увеличении температуры. При оптимальных режимах лазерного упрочнени без по влени поверхности происходит неравномерное распределение температуры от 1400°Сна поверхности до

250°С на глубине 60 мкм. Рост сжимающих напр жений в каждом слое ограничиваетс пределом текучести, который на поверхности резко снижаетс . В нижележащих сло х.нагретых выше 250°С,происходит

релаксаци возникающих напр жений сжати . Еще ниже располагаетс слой, в котором к моменту окончани действи лазерного импульса образуютс и сохран ютс термические напр жени , не пре вышающие исходного предела текучести стали. При охлаждении начинаетс мартен- ситное превращение, сопровождающее увеличением объема, что приводит к формированию в закаленном поверхностном слое напр жений сжати , которые суммируютс с напр жени ми раст жени термического происхождени . Поскольку структурные напр жени выше термических , то в итоге в закаленном слое формируютс остаточные напр жени сжати , а по кра м п тна формируютс напр жени сжати .

Уровень сжимающих напр жений можно регулировать режимом лазерного упрочнени , например коэффициентом ти п тен закалки: D -S

где D - диаметр п тна закалки;

S - шаг обработки.

Пример. Образцы в виде пластин размером 80x15x0,8 мм из стали 40Х, изготовленные из проката (состо ние поставки), подвергнутые механической обработке (тонкое фрезерование) с шероховатостью поверхности по 6 классу, подвергли обработке лазерным излучением на установке Квант-12. Лазерна термообработка проводилась на п ти режимах путем нанесени продольных дорожек с обеих сторон пластины . Энерги единичных импульсов Е 1 Дж, длительность импульса т- А мс, скорость перемещени образца относительно луча V 3,3 мм/с, диаметр луча измен ли от 0,5 до 0,8 мм расфокусировкой лазерного луча, при этом глубина упрочненного сло измен лась от 80 до 40 мкм. Одну из поверхностей пластины упрочн ют при коэффициенте перекрыти п тен закалки К 0,5, а затем упрочн ют противоположную поверхность при К 0,3. При этом образцы сохран ют исходную пр молинейную, форму.

Соотношение h/Z, где h- толщина детали; Z- глубина упрочненного сло , выбрано в качестве отличительного признака при упрочнении тонкостенных деталей в св зи с тем, что именно оно определ ет долговечность деталей при оптимальном сочетании высокой усталостной прочности с высокой износостойкостью упрочненных лазером поверхностей.

Усталостна прочность определ етс коэффициентом упрочнени :

о -lynp

Р

о-чупр - предел выносливости упрочнённого образца;

ст-1 - предел выносливости образца до упрочнени .

. При соотношении h/Z 10 происходит разупрочнение материала ( / 0,75) вследствие увеличени глубины упрочненного сло , твердости поверхности. При соотно- шении h/Z 20 происходит разупрочнение материала ( / 0,96) вследствие уменьше5 ни глубины упрочненного сло , вызывающее неравномерную твердость поверхности детали, котора вл етс металлургическим концентратором напр жений при циклических нагрузках. Соотношение h/Z 13,3

0 обеспечивает максимальное упрочнение материала (/ 1,62) вследствие оптимального сочетани высокой усталостной прочности и высокой износостойкости деталей. Соотношение h/Z 12-15 обеспечивает га5 рантированное упрочнение тонкостенных деталей, .

Результаты усталостных испытаний пластин показывают, что усталостна прочность повысилась в 1,62 раза, долговеч0 ность возросла в 10 раз. Микротвердость возросла в 1,5-2,5 раза по сравнению с поверхностным пластическим деформированием , что повышает износостойкость.

Использование предлагаемого способа

5 упрочнени высоконагруженных тонкостенных металлических деталей обеспечивает по сравнению с известным способом увеличение долговечности при оптимальном сочетании высокой усталостной прочности и

0 высокой износостойкости тонкостенных деталей .

Claims

Формула изобретени Способ упрочнени тонкостенных ме5 таллических изделий, включающий создание сжимающих напр жений в поверхностных сло х наиболее нагруженных участков детали путем обработки первоначально поверхности, расположенной

0 по одну сторону от нейтральной плоскости изгиба детали, затем противоположной, о т- личающийс тем, что, с целью повышени долговечности за счет увеличени предела выносливости и усталостной

5 прочности, обработку ведут лазерным излучением с режимом, обеспечивающим соотношение h/Z 12-15, где h - толщина детали; Z - глубина упрочненного сло .