СПОСОБ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ МЕТАЛЛОВ Российский патент 2006 года по МПК C21D1/09 C21D1/04 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для поверхностного упрочнения металлов при обработке источниками с высокой концентрацией энергии.

Известен способ упрочнения металлов лазерным воздействием [1].

Недостатком его следует считать ограниченную глубину упрочненного слоя, определяемую пороговой величиной подводимой энергии.

Известен также способ поверхностного упрочнения металлов лазерным лучом путем предварительного формирования на обрабатываемой поверхности участков с разным коэффициентом отражательной способности и последующим воздействием на нее лазерным лучом [2].

Недостатками данного способа являются недостаточная глубина упрочненного слоя, определяемая критической величиной подводимой энергии.

Задача изобретения - обеспечить перенос плотности потока энергии на большую глубину упрочняемой поверхности.

Технический результат - увеличение глубины упрочнения.

Это достигается тем, что в способе поверхностного упрочнения металлов лазерным лучом в магнитном поле модулируют генерируемые лазерным лучом колебания в кристаллических решетках с колебаниями от постороннего электромагнитного источника, когерентными с первыми, а частоту колебаний устанавливают больше частоты колебаний плотности свободных электронов в обрабатываемом металле.

При инициировании в твердой среде (металле) колебаний ее частиц, вследствие взаимодействия между ними, колебания распространяются от частицы к частице. Действительно, если в металле возбудить с помощью колеблющихся зарядов электромагнитное поле, то в окружающем заряды пространстве возникнет последовательность взаимных превращений электрического и магнитного полей, распространяющихся периодически во времени и пространстве от точки к точке и, в силу этого, представляющих волну. Известно также, что среда, в которой распространяется волна, обладает дополнительным запасом энергии. Эта энергия доставляется от источника колебаний в различные точки среды самой волной; следовательно, волна способна переносить с собой энергию.

При лазерном упрочнении металлов глубина упрочнения в известной мере лимитирована теплотой сублимации и, в ряде случаев, оказывается недостаточной для эффективного обеспечения функциональных качеств поверхности. Аккумулирование значительного количества теплоты в поверхностных слоях металла при воздействии лазерным лучом связано с "непрозрачностью" металлов для света, что обусловлено наличием свободных электронов. Под действием электрического поля световой волны (лазерного луча) свободные электроны приходят в движение, что создает в металле быстропеременные токи, сопровождающиеся выделением ленц-джоулева тепла. В результате энергия световой волны быстро убывает, трансформируясь во внутреннюю энергию металла.

Известно, что при частотах электромагнитных волн, больших частоты колебаний плотности свободных электронов, значение которой приближенно составляет 3×10¹⁵ с^-1, показатель преломления становится вещественным, что предполагает "прозрачность" металла.

Таким образом, увеличить глубину упрочнения представляется возможным за счет генерации в металле от внешнего источника волновых процессов, параметры которых (фазовый сдвиг и амплитуда) устанавливаются адекватными параметрам световолновых колебаний от первичного источника - лазерного луча, а частота превышает частоту колебаний плотности свободных электронов в металле (3×10¹⁵ с^-1). Эффект от модуляции колебаний, генерируемых различными источниками, возможен в случае когерентности волн, при которой направление их распространения, частоты, а также ориентация векторов напряженностей магнитного и электрического полей оказываются тождественными. В итоге это позволяет уменьшить коэффициент поглощения волны и повысить плотность потока энергии за счет ее переноса средой на большую глубину от поверхности.

На чертеже приведена схема реализации заявляемого способа.

Способ реализуется в следующей последовательности. Образец 1 помещают в поле генератора электромагнитных волн 2, связанного через модулятор 3 с источником лазерного излучения 4. Посредством модулятора устанавливают требуемое частотно-амплитудное соотношение между генератором электромагнитных импульсов и источником лазерного излучения. Затем на обрабатываемую поверхность образца 1 производят воздействие лазерным лучом.

Пример. Производят импульсное лазерное воздействие на поверхность образцов 1 из углеродистой (У10А), высоколегированной (8Х6НФТ) сталей и твердого сплава ВК15, обрабатываемых последовательно, на следующих режимах g, Дж/мм² 1.8-1.9; Кп 0.4-0.8. Перед лазерным воздействием в первой серии испытаний образцы помещают в область воздействия источника электромагнитного излучения ультрафиолетового диапазона, а во второй - рентгеновского диапазона. Оценку глубины упрочнения проводили на поперечных шлифах.

Результаты исследований и режимы обработки отражены в таблице.

Таблица
Результаты исследований и режимы обработкиИсточники электромагнитного излученияХарактеристики электромагнитного поляКоэффициент приращения глубины УпрочненияДлина волны, λ, м,Частота колебаний ω, с^-1.Углеродистые сталиВысоколегированные сталиТвердые сплавыУльтрафиолетовое излучение5×10^-80.52×10¹⁶2.131.411.38Рентгеновское излучение3×10^-100.45×10¹⁸2.261.771.49Видимое свечение (красная область спектра) - лазер4×10^-70.33×10¹⁵1.01.01.0

Источники информации

1. Сафонов А.Н., Тарасенко В.М., Скоромник В.И. Лазерное термоупрочнение режущего инструмента: Обзорн. Информ. - М.: ВНИПИЭИлеспром, 1989. С.52.

2. 3отов Г.А., Памфилов Е.А. Повышение стойкости дереворежущего инструмента. М.: Экология, 1991. С.300.

Использование: для поверхностного упрочнения металлов при обработке источниками с высокой концентрацией энергии. Технический результат: повышение прочностных характеристик упрочненной поверхности и увеличение глубины упрочнения. Для достижения технического результата в обрабатываемом металле генерируемые лазерным лучом колебания в кристаллических решетках модулируются с колебаниями от постороннего электромагнитного источника, являясь при этом когерентными с первыми, а частота колебаний устанавливается большей частоты колебаний плотности свободных электронов в обрабатываемом металле. 1 ил., 1 табл.

Способ поверхностного упрочнения металлов, включающий воздействие лазерным лучом и внешним электромагнитным полем, отличающийся тем, что модулируют генерируемые лазерным лучом колебания в кристаллических решетках металла колебаниями от внешнего электромагнитного поля, когерентными с первыми, при этом частоту колебаний электромагнитного поля устанавливают больше частоты колебаний плотности свободных электронов в обрабатываемом металле.