Состав для лазерного боразотирования

Состав для лазерного боразотирования

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к лазерной химико-термической обработке. Цель изобретения - повышение микротвердости поверхностного слоя обработанных изделий за счет повышения поглощательной и насыщающей способностей состава. Состав содержит, мас.%: диоксид марганца 2-10, карбамид 10-20, борный ангидрид остальное. Использование данного состава при лазерной химико-термической обработке повышает микротвердость поверхности обработанных изделий на 50-70% за счет повышения поглощательной способности состава на 90-95%. 1 табл.

СОК)3 СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ . РЕСПУБЛИН

„„80„„14 2 75 (5П 4 С 23 С 8/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4307110/31-02 (22) 2 1 . 09. 87 (46) 30. 05. 89. Бюл. № 20 (71) Брянский институт транспортного машиностроения (72) Ю.В.Колесников (53) 621.785.53 (088.8) (56) Wear, 1987, № 1, v.114, р.19-27. (54) СОСТАВ ДЛЯ ЛАЗЕРНОГО БОРАЗОТИРОВАНИЯ (57) Изобретение относится к лазерной химико-термической обработке.

Изобретение относится к металлургии, в частности лазерной химико-термической обработке, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения )деталей машин, изготовленных из углеродистых сталей.

Ф

Цель изобретения — повышение микротвердости поверхностного слоя обработанных изделий за счет повышения поглощательной и насыщающей способности состава.

Состав для лазерного боразотирования содержит диоксид марганца, борный,ангидрид и карбамид при следующем соотношении компонентов, мас.Ж:

Диоксид марганца 2 — 10

Карбамид 10- 20

Борный ангидрид Остальное

Диоксид марганца МпО< содержащий в себе около 637. марганца, выполняет двоякую функцию: он способствует активному поглощению световой (лучистой) энергии, а также образованию

Цель изобретения — повышение микротвердости поверхностного слоя обработанных иэделий за счет повышения поглощательной и насыщенной способностей сплава. Состав содержит, мас.7.: диоксид марганца 2-10, карба" мид 10-20, борный ангидрид остальное.

Использование данного состава при лазерной химико-термической обработке повышает микротвердость поверхности обработанных изделий на 50-70Х эа счет повышения поглощательной способности состава на 90-95X: 1 табл. при его разложении боронитрндов марганца, обладающих высокой твердостью, При содержании диоксида марганца менее 2Х поглощение энергии составом слабое, а легирование неэффективно.

Повышение процентного содержания диоксида марганца свыше 10Х приводит

1 к выгоранию состава, а также к насыщению поверхности оксикарбонитридами марганца и снижению твердости.

КаРбамид (мочевина) СО(Щ )„ является азотсодержащим веществом, так как содержит очень много азота (45,5X). В процессе лазерного нагрева происходит разложение карбамида и образование реакционно-способных атомов азота.

Борный ангидрид В 03 является борсодержащим веществом, и в процессе его разложения образуются активные атомы бора.

Процентное содержание борного ангидрида и карбамида выбирается таким образом, чтобы реакции лазерного синз 148297 теза борнитридов (боридов и нитридов) марганца протекала наиболее благоприятно. Снижение процентного содержания борного ангидрида и карба5 мида ниже указанных в составе ведет к увеличению диоксида марганца, а также к выгоранию состава и. насьпцению поверхности оксикарбонитридами марганца. Превышение процентного содержания борного ангидрида и карбамида, указанных в составе, за счет снижения диоксида марганца ведет к снижению поглощательной способности состава. 15

Указанные свойства компонентов, вводимых в состав предлагаемой сме си, позволяют повысить поглощательную способность и эа счет этого степень упрочнения поверхности углеродистых 20 сталей.

Установлено, что микротвердость боридов Cr, No, U u M различного стехиометрического состава составляет 12-28 ГПа, а нитридон — 7-15 ГПа. 25

Поэтому лазерное насьпцение бором высоколегированных инструментальных сталей, содержащих эти элементы, позволяет получить высокую твердость поверхности, но ввиду черезвычайной 30 хрупкости боридов она не обеспечивает высоких эксплуатационных характеристик. Этот недостаток устраняется совместным лазерным насьпцением бором и азотом, что ведет к образованию боронитридов Cr Мо, V u M. Поскольку боронитриды представляют собой комбинацию боридов и нитридов различной пропорции, их микротвердость ниже боридов, однако совместное насьпцение 40 бором и азотом при лазерной обработке высоколегированных сталей позво ляет получить высокие эксплуатационные свойства поверхности при достаточно высокой микротвердости, дости- 45 гающей 21 ГПа.

Углеродистые стали не являются легированными и не содержат Cr Мо, V u M поэтому их лазерное борирование ведет лишь к образованию хрупко50

ro поверхностного слоя, содержащего бориды железа, с.микротвердостью до

16 ГПа, лазерное азотирование обес печивает еще меньшую макротвердость поверхности, не превышающую-8 ГПа.

Таким обраэом, лазерное бораэотирование углеродистых сталей способствует получению на их поверхности нехрупкого слоя, но микротвердость, достигаемая при этом,не превышает

11 — 12 ГПа.

Установлено также, что бориды марганца Мп„В„ различного стехиометрического состава сопоставимы ло своей микротвердости (свыше 20 ГПа) с боридами хрома, ванадия, молибдена, а борид четырехвалентного марганца МпВц по своей микротвердости (37 ГПа) не уступает самым твердым боридам вольфрама. Однако проведенные многочисленные исследования по лазерному боромарганцированию поверхности углеродистых сталей из различных бор- и марганецсодержащих составов хотя и позволяют получить высокую микротвердость (свыше 20 ГПа), не удовлетворяют требованиям качества. При измерениях микротвердости на этих поверхностях появляются микротрещины, а в ряде случаев образовывается густая сетка микротрещин после лазерной обработки за счет, тепловых напряжений. При лазерном легировании поверхности углеродистых сталей из различных азот- и марганецсодержащих составов получена микротвердость порядка 10-12 ГПа °

В предлагаемом решении подобрана такая комбинация окислов бора и марганца, а также азотсодержащего карбамида, которая в условиях лазерного нагрева обеспечивает мгновенное расплавление смеси, разложение компонентов смеси до атомарных бора, азота и марганца, соединение их в боронитриды марганца и внедрение в стальную матрицу. Иэ бор- и азотсодержащих веществ выбраны борный ангидрид и карбамид с высоким содержанием бора (свыше ЗОБ) и азота (свыше 457).

Введение в состав смеси окисла четырехвалентного марганца (черного цвета) МпО< с содержанием Мп более

63Х способствует активному поглощению световой энергии и благоприятному протеканию реакции лазерного синтеза высокотвердых боронитридов с последующим насьпцением ими легируемой поверхности углеродистой стали.

Пример. Проводят лазерное боразотирование поверхности углеродистой закаленной стали 45 с помощью предлагаемого состава. Изготавливают суспенэию иэ порошков компонентов состава и.стандартного связующего (507-ный раствор клея БФ-2 на ацетоне), которая пульверизатором нано5 148 сится на плоскую поверхность испытуI

1 емьж образцов. После просушивания поверхности на воздухе (в течение

20 мин) проводят обработку ее лучами лазера на лазерной установке "Квант18" с оптическим генератором импульсного действия на неодинаковом стекле.

Режимы лазерной обработки следующие: энергия облучения 40 Дж, длительность импульса 8 мс, пятно прямоугольное с размерами 1,5к4 мм. Микротвердость обработанной поверхности измеряют на микротвердомере IIMT -3 при нагрузке 0,5 Н и пяти — семикратной повторности эксперимента.

Чем выше поглощательная способность, тем выше в конечном итоге микротвердость. Поэтому за максимальное поглощение может быть принято такое, при котором на поверхности углеродистой стали достигается максимальная микротвердость при использовании любого состава и при любом числе проходов лазерной обработки.

Такая микротвердость (24 ГПа) достижима при десятикратной обработке с использованием предлагаемого состава, и соответствующее этому варианту поглощение лазерной энергии может быть условно принято за 1 или 100Х.

Поэтому за поглощательную способность принимают отношение мнкротвердости, получаемой при двухкратной лучевой обработке наносимого на поверхности углеродистой стали одного из составов, к максимальной микротвердости (24 ГПа), достигаемой при использо,вании предлагаемого состава.

Упрочнение, при котором достигается максимальная микротвердость (13,5 ГПа) на поверхности углеродистой стали при десятикратной обработке известного состава, может быть принято за 1. Поэтому за степень упрочнения принимают отношение микротвердости, получаемой при двухкратной лучевой обработке наносимого на поверхность углеродистой стали предлагаемого состава, к максимальной микротвердости (13,5 ГПс), достигаемой при использовании известного состава.

Сравнительные данные по поглощательной способности и степени упрочнения поверхности углеродистой стали

45 при использовании известного (1) и предлагаемого составов приведены в таблице.

Из приведенных данных следует, что предлагаемый состав обеспечивает, высокую поглощательную способность порядка 90-95Х и повышение степени упрочнения на 50-70Х по сравнению с известным составом (примеры 4-6).

Уменьшение количества диоксида марганца и карбамида ниже указанных

1р в составе (пример 3) приводит к уменьшению поглощательной способности состава, а также количества образующихся боронитридов марганца, что снижает степень упрочнения.

15, Увеличение количества карбамида при малом количестве диоксида марган ца (пример 2) и соответственно, малой поглощательной способности приводит лишь к образованию боронитри дов железа и слабому упрочнению поверхности.

При увеличении количества диокси25 да марганца вьппе указанного в составе (пример 7) начинается интенсивное выгорание состава и поглощательная способность падает. При этом увеличенное количество карбамида

Зр (пример 7) ведет к образованию преимущественно оксикарбонитридов марганца и небольшому упрочнению поверхности.

При большом количестве диоксида ,марганца и малом количестве карбамида (пример 8) происходит преимущественное образование боридов марганца и степень упрочнения несколько повы4р шается по сравнению с предыдущим случаем (пример 7), но интенсивное вы- горанием смеси не позволяет получить такие характеристики, как при использовании предлагаемого состава с коли45 чественным соотношением компонентов в указанных пределах.

Предлагаемый состав представляет собой такую комбинацию ингредиентов и такое их оптимальное процентное содержание, которое позволяет улучшить поглощательную способность состава и получить более высокую степень упрочнения на поверхности обычных углеродистых сталей, чем при легировании с использованием известного состава поверхности высоколегированных сталей. При этом достаточно двухкратной лучевой обработки поверхнос 1482975 ти, Поглощательная способность состава составляет порядка 90-95Х, а степень упрочнения поверхности по сравнению с известным составом уве- 5 личивается на 50-707..

Состав может наноситься и в виде порошка (вдувание или обработка лазерным лучом через стеклянную обой- 10 му), и в,виде суспензии, что наиболее удобно и эффективно технологически.

В результате лазерной 6бработки состава на поверхности различных углеродистых и малолегированных сталей 15 образуются блестящие, светлые, прочно сцепленные с основным материалом слои, обладающие высокими эксплуатационными свойствами.

Пример

Состав

Содержание: компонен-!

)тов, мас,% !

Максимальная

ПоглоСтепень щательная способмикротвердость, ГПа, при числе (И) проходов лазерной обработки упрочнения ность

2 10

12,3 13,5 0,51

12,5 13 0 0 52

1,0

0,9

Остальное

Остальное

Остальное

Остальное

20

Остальное

25

Остальное

14,8 15,3 0,64

21,8 22,5 0,93

23,1 24,0 0,95

1,6

1,7

204 21,2 0 89

1,5

15 7 16 2 0 66

1,2

16,8 17,5 0,69

1,3

Остальное

Составитель А.Булгач

Техред Л.Сердюкова Корректор M.Васильева

Редактор M.ÏåòðîBà

Заказ 2787/22 Тираж 941 Подписное

ВНИНШИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

11303 5, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Проиэвопстненнз-издательский комбинат Патент, r.5æãîðîä, ул. Гагарина, 1 1

ll,tl r Г 101

Нитрид бора (известный)

Диоксид марганца

Карбамид

Борный ангидрид

Диоксид марганца

Карбамид

Борный ангидрид

Диоксид марганца

Борный ангидрид

Диоксид марганца

Карбамид

Борный ангидрид

Диоксид марганца

Карбамид

Борный ангидрид

Диоксид марганца

Карбамид

Борный ангидрид

Диоксид марганца

Карбамид

Борный ангидрид

Формула и з о б р е т е н и я

Состав для лазерного боразотирования преимущественно углеродистых сталей, включающий бор- и азотсодержащие вещества, о т л и ч а ю щ и й— с я тем, что, с целью повышения микротвердости поверхностного слоя обработанных изделий за счет повышения поглощательной и насыщающей способностей состава, он дополнительно содержит диоксид марганца, а в качестве бор- и азотсодержащих веществ соответственно борный ангидрид и карбамид при следующем соотношении компонентов, мас.7.:

Диоксид марганца 2 — 10

Карбамид 10 — 20

Борный ангидрид Остальное