Состав для лазерного карбоборирования титановых изделий

Состав для лазерного карбоборирования титановых изделий

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к химико-термической обработке с использование лазерного нагрева, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей машин, изготовленных из сплавов титана. Цель изобретения - повышение поверхностной микротвердости сбработанных изделий и равномерности распределения ее величины по упрочненной поверхности. Состав для лазерного карбоборирования титановых изделий содержит окись алюминия, двуокись кремния, борный ангидрид и карбид бора при следующем соотношении компонентов, мас.%: окись алюминия 4-10

двуокись кремния 6-14

борный ангидрид 25-35

карбид бора - остальное. Использование данного состава позволяет повысить среднюю микротвердость поверхности на 30-50% и снизить неравномерность распределения ее величины (коэффициент вариации) в 1,8-2,3 раза. 1 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН,.SU 3617 47 (,1)5 С 23 С 8/, ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

И A BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4652708/31-02 (22) 20.02.89 (46) 30.12.90. Бюп. 1п 48 (71) Брянский институт транспортного машиностроения (72) К.С.Колесников и И.В.Колесников (53) 621.9.02:621.53(088.8) (56) Металловедение и термическая обработка металлов, 1984, 1"- 5, с. 12 — 13. (54) СОСТАВ ДЛЯ ЛАЗЕРНОГО КАРБОБОРИРОВАНИЯ . ТИТАНОВ1 Ж ИЗДЕЛИЙ (57) Изобретение относится к металлургии, в частности к ж мико-термической обработке с использованием лазерного нагрева, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей машин, изготовленИзобретение относится к металлургии, в частности к химико-термической обработке с использованием лазерного нагрева, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей машин, изготовленных из сплавов титана.

Цель изобретения — повьппение по-. верхностной микротвердости обработанных изделий и равномерности распределения ее величины по упрочненной поверхности.

Состав для лазерного карбоборирования, включающий карбид бора дополнительно содержит окись алюминия, двуокись кремния и борный ангидрид при следующем соотношении компонентов, мас.%:

2 ных из сплавов титана. Цель изобретения — повьппение поверхностной микротвердости обработанных изделий и равномерности распределения ее величины по упрочненной поверхности. Состав для лазерного карбоборирования титановых изделий содержит окись алюминия, двуокись кремния, борный ангидрид и карбид бора при следующем соотношении компонентов, мас.Ж: окись алюминия 4

10;.двуокись кремния 6 — 14; борный ангидрид 25 — 35; карбид бора остальное. Использование данного состава позволяет повысить среднюю микротвердость поверхности на 30 — 50% и снизить неравномерность распределения ее величины (коэффициент вариации) в 1,8 — 2,3 раза. 1 табл.

О кис ь алюминия 4-10

Двуокись кремния 6 — 14

Борный ангидрид 25 — 35

Карбид бора Остальное

Компоненты выполняют следующие

Функции °

Карбид бора В С является основным упрочняющим компонентом и вводится в состав в виде порошка черного цвета с т.пл. 27200С, обладает хорошим поглощением световой энергии. Его количество выбирается из условий достижения максимальной микротвердости по- >, верхности за счет насьпцения ее образующимися в процессе лазерной обработки карбоборидами титана. Этому способствуют активные атомы углерода и бора, образующиеся при разложении

1617047 карбида бора за счет лазерной световой) энергии.

Окись алюминия А1 0 вводят для дополнительного поглощения лазерной энергии и представляет собой порошок матового цвета с т .пл. 2050 С. Хотя сам карбид бора хорошо поглощает лаl зерную энергию, однако в то же время происходит и его интенсивное выгора ние при лазерной обработке. Температура плавления окиси алюминия (205б С) ниже температуры плавления карбида бора (2720 С}, поэтому происходит частичное растворение карбида бора в окиси алюминия.

При количестве окиси алюминия менее 4% эййект дополнительного поглощения выражен слабо, а при содержании его в составе более 10% снижается 20 микротвердость поверхности и эффективность упрочнения.

Двуокись кремния Si0< является окислом, который при расплаве позволяет получать непрерывное растворение 25 в нем карбида бора, а также углерода и бора, образующихся при термодиссоциации карбида бора, входит в предлагаемый состав в виде порошка белого цвета с т.пл. 1600 С. Поскольку температура..плавления этого вещества значительно ниже температуры плавления карбида бора, при лазерном нагреве значительная часть световой энер-! гии идет на образование расплава дву35 окиси кремния, в котором равномерно распределяется карбид бора, бор и углерод. Это приводит к равномерному распределению микротвердости упрочненного слоя. При количестве двуокиси 40 кремйия менее 6% получение такого рас.плава затруднено, что ведет к неоднородности распределения микротвердости.

При количестве двуокиси кремния более 14% происходит э4йективная реакция вытеснения кремния из двуокиси кремния карбидом бора, бором и углеродом. Образующиеся при этом боросилициды и силицнды титана имеют невысокую микротвердость, что является причиной снижения микротвердости в целом для упрочненной поверхности.

Борный ангидрид В О представляет собой порошок белого цвета с довольно малой температурой плавления (450 С).

Он вводится в состав для снижения температуры расплава и, соответственно, повышения его текучести. Кроме того, при частичном разложении он является дополнительным источником получения активных атомов бора. При содержании ангидрида в пределах 25—

35% он образует с двуокисью кремния и окисью алюминия жидкотекучую эвтектику, способствующую дополнительно более равномерному распределению легирующкх элементов в расплаве. Это приводит в конечном итоге после лазерной обработки к более равномерному распределению микротвердости по уп-, рочненной поверхности. При количестве борного ангидрида менее 25% такая эвтектика не образуется, и эдиЬект равномерности снижается.

Кроме того, значительное снижение количества борного ангидрида приводит при прочих равных условиях к увеличению карбида бора в таком количестве, при котором уже протекает интенсивное выгорание последнего. Содержание борного ангидрида более Э5% приводит при лазерной обработке из-за его малой температуры плавления к значительному испарению, а также образованию пузырьков газообразных окислов, следствием чего также является снижение микро" твердости поверхности. установлено, что среди известных

1 сверхтвердых карбидов и боридов кар-, бид бора обладает наименьшей стандартной теплотой реакции диссоциапии550 кДж. Поэтому при лазерном леги ровании карбидом бора в условиях мощного светового энергетического воздействия происходит его термодиссоциация до атомарного бора и. углерода с последующим выгоранием последних.

Поэтому при непосредственном легировании металлов карбидом бора не удается достичь равномерного распределения микротвердости по упрочняемой поверхности. При этом разница между минимальным и максимальным значениями микротвердости .может отличаться более чем в два раза.

В предлагаемом решении подобрана такая не применяемая ранее композиция химических соединений, которая в условиях лазерного нагрева позволяет добиться равномерного распределения легирующих элементов в расплаве и, соответственно, равномерного распределения микротвердости по упрочняемой поверхности титанового изделия.

Это достигается введением в состав окиси алюминия, двуокиси кремния и борного ангидрида, образующих при ла1617047

55 зерном оплавлении легкоплавкую эвтектику, в которой происходит равномерное распределение легирующих элементов (углерода и бора). Последние активно диффундируют из расплава в частично проплавляемую подложку (титан) и, вступая в химическую реакцию, образуют твердые карбоборицы титана, равномерно распределенные в титановой матрице. В процессе лазерной обработки значительная часть энергии поглощается окисью алюминия, что приводит к более быстрому расплавлению состава и препятствует преждевременному выго ранию карбида бора, Вводимая при этом двуокись кремния не только способствует уменьшению температуры плавления, но и образовашпо относительно пластичных боросилицидов и силицидов титана различного стехиометрического состава, что ведет в конечном итоге к улучшению пластических свойств матричной основы получаемого слоя. Вводимый в состав борный ангидрид является не только дополнительным поставщиком бора, но также из-за малой температуры плавления значительно повышает жидкотекучесть расплава, что ведет к еще более равномерному распределению легирующих элементсв и в конечном итоге — равномерному распределению микротвердости по упрочненной поверхности. Кроме того, все укаэанные факторы способствуют получению значения микротвердости 28,5 ГПа на поверхности титановых иэделий, которое ранее не достигалось с помощью известных составов лазерного легирования.

Пример. Для эксперимвнтальной проверки предлагаемого состава подготовлены шесть смесей ингредиентов, три из которьгл показали оптимальные результаты (см. таблицу). Проводят лазерное легирование поверхности титана марки ВТ1-0 с помощью известного и предлагаемого составов. Используют суспензию из порошков компонентов состава и стандартного связующего (507-ный раствор клея БФ-2 на ацетоне), которая пульверизатором или кис точкой наносится на поверхность испьг туемых образцов. Толщина покрытия сос,тавляет 0,2 мм. После просушивания поверхностей на воздухе (в течение

20 мин) проводится обработка их луча,. ми лазера на лазерной технологической установке "Квант-18".

Режимы лазерной обработки следующие: энергия облучения 28 Дж, длительность иьячульса 8 мс; диаметр пятна 2 гм; коэффициент перекрытия 0,5.

Испытания на микротвердость обработанных поверхностей проводят на микротвердомере ПИТ-3 при нагрузке 0,5Н.

Распределение микротвердости по поверхности облученных образцов замеряют с шагом 0,1 мм в направлении перемещения луча лазера на базовой длине 3 мм по линии центров зон лазерного воздействия. Определяют минимальное, максимальное и среднее значения Н величины микротвердости при п=30 испытаниям.

Кроме того, вычисляют среднее квадратическое отклонение микротвердости по поверхности облученных об-: разцов

25 и коэффициент вариации по среднему квадратичному отклонению

VO=((7/й) 00(Z), где Й; - текущее значение мнкротвердости (микротвердость каждо" гр испытанная):

n - число испытаний (п-30).

В таблице приведены сравнительные данные по микротзердости облученных поверхностей с использованием известного и предлагаемого составов.

Из приведенных данных следует, что предлагаемый состав (пп. 3 — 5) позволяет по сравнению с известным значительно снизить неравномерность распределения микротвердости IIQ упрочняемой поверхности (коэффициент вариации) в 1,8 — 2,3 раза, повысить среднюю величину микротвердости на

30 — 501 .

Технико-экономические преимущест.ва предлагаемого изобретения по срав нению с известным заключаются в следующем. Использование известного состава не обеспечивает равномерность распределения микротвердости по уп- .рочняемой поверхности, причем значения максимальной и минимальной величин микротвердости отличаются более, чем в полтора раза. Такие скачки физико-механических характеристик упрочненного слоя могут привести к недостаточной надежности и долговеч ности титановых иэделий B эксплуатации.

161 704 7

Предлагаемый состав представляет бой такую комбинацию ингредиентов такое их оптимальное процентное держание, которое позволяет полу- 5 Ф о р м у л а ть высокое значение микротвердости и одновременно равномерном распреении ее по поверхности . Состав жет наноситься как в виде порошка, к и в виде суспенэии, что наиболее 1ð обно и эффективно технологически. и этом входящие в предлагаемый сосв компоненты не являются дефицитныи дорогостоящими. В результате эерной обработки состава на поверх- 15 сти титановых изделий образуются вномерные темнозолотистые слои, очно сцепленные с основным металлом.

Использование изобретения позволяповысить эффективность упрочнения счет больщей однородности упрочненного слоя и его повьппенной микротвердости. и зобр етения д м т

У

П т

I л н

P и

e) Коэ44ицнент варна" дни, Х

Инкротвердостьу ГПИ

Среднее квадра тнчное откло» некие, Гпа

Состав Содержание компонентов, мас. Х нималь- ИаксиСредняя мальная ая

Карбид бора (иэв

Окись алкания

Двуокись кремния

Борный ангидрид

Карбид бора

6,2 28

5, 1 23

1б,7

19,2

14,1

18,3

Окись алкания

Двуокись кремния

Борный ангидрид

Карбид бора

22,0 4,2

24,7

21,3

28,- 5

Окись алкииння

Двуокись кремния

Барный ангидрид

Карбид бора

21 8 4,3 15.5

25,3

22,1

Окись алкииния

Двуокись кремния

Борный ангидрид

Карбид бора

21,3 18, 1 4,5 16

17,4

Окись алюминия

Двуокись кремния Борный ангидрид

Карбид бора .

Составитель А.Булгач

Редактор М.Петрова Техред М.Дидык Корректор Н.Ревская

Заказ 4100 Тираж 813 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул. Гагарина, 101 естний)

3

15 остальное

4 б

25 остальное

30 осталь" ное

1О

14

35 остальное

12

11

45 остальное

Состав для лазерного карбоборирования титановых изделий, содержащий карбид бора, отличающийся тем, что, с целью повышения поверхностной микротвердости обработанных изделий и равномерности распределения ее величины по упрочненной поверхности, он дополнительно содержит окись алюминия, двуокись кремния и борный ангидрид при следующем соотношении компонентов, мас.Ж:

Окись алюминия 4 - 10

Дв ус кис ь кремния 6 — 14

Борныи ангидрид ?5 - 35

Карбид бора Остальное