Способ формирования боридных составляющих титана на поверхности изделий из железоуглеродистых сплавов при лазерной обработке Российский патент 2024 года по МПК B22F7/02 B22F3/105 B23K26/342 C23C24/04 

Изобретение относится к области обработки материалов лазерным лучом и модификации поверхности при лазерной наплавке легирующих составов и может быть использовано для формирования легированного слоя, обладающего высокой твердостью и износостойкостью на поверхности изделий из железоуглеродистых сплавов.

Из уровня техники известен способ получения компактных материалов, содержащих диборид титана, методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, включающий приготовление реакционной смеси из порошкообразных компонентов в виде ферротитана и ферробора с последующим компактированием и инициированием процесса СВС (Патент РФ №2658566 С2, МПК С22С 29/14, B22F 3/23. 21.06.2018. Бюл. №18). Данный способ предусматривает получение компактных материалов с диборидом титана путем нагрева смеси компонентов, при этом, способ не позволяет формировать легированные слои, содержащие боридные составляющие, на поверхности изделий из железоуглеродистых сплавов.

Из уровня техники известен способ получения наноструктурированной поверхности сталей методом лазерно-плазменной обработки, включающий размещение детали в герметичной камере, заполнение объема камеры инертным газом или газом-модификатором с последующим воздействием лазерным лучом на обрабатываемую поверхность деталей (Патент РФ №2447012 С1. МПК В82В 3/00, С23С 4/12, В23К 26/34, C21D 1/09. 10.04.2012. Бюл. №10). Данный способ предусматривает обработку материала с применением специального оборудования, в частности герметичной камеры, систем подачи газов и перемещения обрабатываемой детали, что приводит к усложнению его технической реализации.

Наиболее близким по технической сущности является способ модификации металлических поверхностей и устройство, включающий размещение обрабатываемой детали в реакционной камере, формирование потока рабочего газа, содержащего несущий газ и химически активные реагенты и/или легирующие добавки с последующим направлением потока на модифицируемую поверхность и воздействием лазерным импульсно-периодическим излучением (Патент РФ №2425907 С2. МПК С23С 4/12, С23С 16/48, С23С 16/513. 10.08.2011. Бюл. №22). Данный способ применим для азотирования и/или цементации поверхности чугунов и сталей, для легирования чистыми металлами или сплавами с формированием пересыщенных твердых растворов и образованием интерметаллидов, для легирования карбидами тугоплавких металлов (TiC, VC, ТаС, WC и др).

Недостатком прототипа является ограниченная область применения, связанная с необходимостью использования для модифицирования сложного оборудования, включающего реакционную камеру, системы подвода газового потока, подготовки и формирования потока рабочего газа. Также в данном способе в качестве легирующих составляющих предусмотрено использование химически активных газов (азот, аммиак, пропан и др.) или химически активных реагентов в виде паров или аэрозолей. Это снижает область применения указанного способа и усложняет технологический процесс обработки поверхности металлических материалов.

Все это снижает универсальность и техническую применимость прототипа.

Предлагаемый способ является более технически применимым и универсальным для формирования легированного слоя на поверхности изделий из железоуглеродистых сплавов.

Повышение универсальности и технической применимости предлагаемого способа выражается в том, что он позволяет проводить процесс легирования поверхности изделий из железоуглеродистых сплавов с использованием лазерного излучения без использования сложного оборудования и химически активных легирующих сред в виде газовых составляющих.

Способ осуществляется следующим образом.

В начале путем смешивания готовят реакционную смесь, состоящую из порошкообразных титан- и борсодержащих компонентов, при этом отношение массы титана к массе бора в данной смеси находится в пределах от 1 до 4. В качестве титансодержащих компонентов реакционной смеси способ предусматривает использование титана или ферротитана с содержанием титана не менее 60% масс, поскольку меньшее содержание титана приводит к уменьшению боридных составляющих в легированном слое. В качестве борсодержащих компонентов легирующей смеси способ допускает применение бора, как аморфного, так и кристаллического, или ферробора с содержанием бора не менее 6% масс. Аморфный и кристаллический бор обладают различной реакционной способностью, что в зависимости от состава реакционной смеси позволяет оптимизировать процесс формирования боридов титана при лазерной обработке поверхности. Для регулирования количества боридных составляющих титана способ допускает применение в качестве борсодержащего материала ферробора, с содержанием бора не менее 6% масс., поскольку более низкое содержание бора приводит к снижению боридов в легированном слое. В зависимости от формы и геометрии деталей способ предусматривает нанесение реакционной смеси как в виде порошков, так и с использованием клеевого связующего. В случае обработки деталей в горизонтальной плоскости способ допускает нанесение реакционной смеси на поверхность в виде порошков без связующего. Толщину слоя порошкообразной смеси при этом можно варьировать как дисперсностью компонентов смеси, так и при помощи специальных доступных приспособлений (кондукторы в виде пластин с щелью требуемой высоты и др.). Для лучшей фиксации реакционной смеси, особенно при сложном рельефе поверхности обрабатываемого изделия способ допускает применение клеевого связующего - введение связующего к исходной реакционной смеси и последующее ее нанесение на поверхность в виде краски или пасты, либо нанесение клеевого связующего на поверхность обрабатываемого изделия с последующей обсыпкой вышеуказанной области порошкообразной реакционной смесью. После нанесения на поверхность изделия реакционной смеси проводят обработку лазерным воздействием. В зависимости от требуемого технического результата способ допускает проводить обработку как однократным воздействием лазерного излучения в точку на поверхности, так и многократным. Выбор количества импульсов в точку обрабатываемой поверхности и режимы обработки зависят как от состава реакционной смеси, толщины слоя, так и от технических характеристик применяемого для воздействия лазерного устройства. Для обеспечения наиболее оптимальных условий обработки способ допускает применение порошкообразных компонентов реакционной смеси фракцией, не превышающий 1 мм, поскольку использование более крупных составляющих реакционной смеси не позволит получить качественный и однородный слой на поверхности обрабатываемого изделия. С целью получения легированного слоя, сочетающего боридные составляющие и основной металл, способ предусматривает проводить обработку без перекрытия зон точечного лазерного воздействия между собой, а интервал между ними может составлять до 2 диаметров пятна лазерного облучения. Для образования в легированном слое преимущественно боридных составляющих способ допускает обрабатывать поверхность с перекрытием зон точечного лазерного воздействия между собой, при этом область контакта должна составлять не менее 5% от площади пятна лазерного облучения, поскольку меньшая область контакта не приведет к полной обработке поверхности.

С целью регулирования количества боридных составляющих в легированном слое способ предусматривает изготовление реакционной смеси из титан- и борсодержащих компонентов при отношении массы титана к массе бора от 1 до 4. Величина данного соотношения, равная 1, предполагает увеличенное, от стехиометрии образования борида титана TiB₂ количество бора в реакционной смеси, что в процессе формирования легированного слоя при лазерном воздействии позволяет формировать значительное количество боридных составляющих титана. Отношение массы титана к массе бора в реакционной смеси, равное 4, соответствует избыточному количеству титана, что в процессе лазерной обработки вызывает дополнительное формирование интерметаллидов, в частности, системы титан - железо, в результате взаимодействия реакционной смеси с материалом обрабатываемого изделия.

Лазерное воздействие на поверхность обрабатываемого изделия из железоуглеродистых сплавов с нанесенным слоем реакционной смеси вызывает локальный нагрев вследствие как высокой энергии излучения, так и в силу протекания процессов образования боридов титана при взаимодействии в системе обрабатываемый материал - реакционная смесь. Для предотвращения окисления обрабатываемой поверхности способ допускает подачу к зоне обработки инертных газов в виде аргона или гелия. Для более простой технической реализации подачу инертных газов способ предусматривает проводить методом обдува обрабатываемой зоны без использования специальных камер.

Для расширения области применения данного способа он предусматривает дополнительное введение к реакционной смеси, состоящей из титан- и борсодержащих компонентов порошкообразных добавок хромсодержащих материалов в виде хрома или феррохрома в количестве, не менее 5% масс, от исходной реакционной смеси.

Способ осуществляется следующим образом.

К реакционной смеси из титансодержащих компонентов в виде титана или ферротитана с содержанием титана не менее 60% масс и борсодержащих компонентов в виде бора (аморфного или кристаллического) или ферробора с содержанием бора не менее 6% масс, взятых в отношении массы титана к массе бора от 1 до 4, дополнительно вводят хромсодержащие материалы в виде хрома или феррохрома, в количестве, не менее 5% масс, от исходной реакционной смеси. В качестве компонентов реакционной смеси для формирования в легированном слое в процессе лазерного воздействия боридов титана способ допускает применение ферросплавов, в частности, ферротитана с содержанием титана не менее 60% масс и ферробора с содержанием бора не менее 6% масс, поскольку меньшее содержание титана и бора не позволяет получать в обработанном слое значительное количество боридных составляющих. Для регулирования реакционной способности легирующих порошкообразных смесей способ допускает применение в качестве борсодержащих компонентов аморфного или кристаллического бора, отличающиеся различной реакционной способностью, в частности, при взаимодействии с титансодержащими компонентами. С целью регулирования количества боридных составляющих в обработанном легированном слое способ предусматривает изготовление реакционной смеси из титан- и борсодержащих компонентов при отношении массы титана к массе бора от 1 до 4. При значении данного отношения, равного 1, реакционная смесь содержит избыточное, от стехиометрии образования борида титана TiB₂ количество бора в реакционной смеси, что в процессе формирования легированного слоя при лазерном воздействии позволяет формировать значительное количество боридных составляющих титана. Отношение массы титана к массе бора в реакционной смеси, равное 4, соответствует избыточному количеству титана, что в процессе лазерной обработки вызывает дополнительное формирование интерметаллидов, в частности, системы титан - железо, в результате взаимодействия реакционной смеси с материалом обрабатываемого изделия. Известно, что титан при взаимодействии с бором или борсодержащими материалами образует стабильные бориды, в частности, TiB, TiB₂. При этом, хром, являясь боридообразующим элементом, также при взаимодействии с бором или борсодержащими компонентами образует бориды, в частности, Cr₂B, CrB, CrB₂ (Самсонов Г.В., Серебрякова Т.И., Неронов В.А. Бориды. М.: Атомиздат.1975. - 376 с.). Бориды хрома также как и титана обладают высокой твердостью и применяются, в том числе для изготовления абразивостойких материалов. Введение хромсодержащих материалов к легирующей смеси из титан- и борсодержащих компонентов при обработке поверхности лазерным воздействием вызывает формирование наряду с боридами титана также боридных составляющих хрома. В качестве хромсодержащих компонентов в реакционной смеси способ допускает применение хрома или феррохрома, в том числе и углеродистого. Использование феррохрома в реакционной смеси приводит к формированию при обработке дополнительных составляющих, содержащих железо, а при изготовлении реакционной смеси углеродистого феррохрома позволяет формировать, наряду с боридными составляющими титана и хрома, также их карбиды.

Приготовленную реакционную смесь наносят на поверхность изделий из железоуглеродистых сплавов с последующим воздействием на данную область лазерного излучения. В зависимости от формы и геометрии деталей способ предусматривает нанесение реакционной смеси как в виде порошков, так и с использованием клеевого связующего. В случае обработки деталей в горизонтальной плоскости способ допускает нанесение реакционной смеси на поверхность в виде порошков без связующего. Толщину слоя порошкообразной смеси при этом можно варьировать как дисперсностью компонентов смеси, так и при помощи специальных доступных приспособлений (кондукторы в виде пластин с щелью требуемой высоты и др.). Для лучшей фиксации реакционной смеси, особенно при сложном рельефе поверхности обрабатываемого изделия способ допускает применение клеевого связующего - введение связующего к исходной реакционной смеси и последующее ее нанесение на поверхность в виде краски или пасты, либо нанесение клеевого связующего на поверхность обрабатываемого изделия с последующей обсыпкой вышеуказанной области порошкообразной реакционной смесью. После нанесения на поверхность изделия реакционной смеси проводят обработку лазерным воздействием. В зависимости от требуемого технического результата способ допускает проводить обработку как однократным воздействием лазерного излучения в точку на поверхности, так и многократным. Выбор количества импульсов в точку обрабатываемой поверхности и режимы обработки зависят как от состава реакционной смеси, толщины слоя, так и от технических характеристик применяемого для воздействия лазерного устройства. Для обеспечения наиболее оптимальных условий обработки способ допускает применение порошкообразных компонентов реакционной смеси фракцией, не превышающий 1 мм, поскольку использование более крупных составляющих реакционной смеси не позволит получить качественный и однородный слой на поверхности обрабатываемого изделия. С целью получения легированного слоя, сочетающего боридные составляющие с основным металлом, способ предусматривает проводить обработку без перекрытия зон точечного лазерного воздействия между собой, а интервал между ними может составлять до 2 диаметров пятна лазерного облучения. Для образования в легированном слое преимущественно боридных составляющих способ допускает обрабатывать поверхность с перекрытием зон точечного лазерного воздействия между собой, при этом область контакта должна составлять не менее 5% от площади пятна лазерного облучения, поскольку меньшая область контакта не приведет к полной обработке поверхности.

Лазерное воздействие на поверхность обрабатываемого изделия из железоуглеродистых сплавов с нанесенным слоем реакционной смеси вызывает локальный нагрев вследствие как высокой энергии излучения, так и в силу протекания процессов образования боридных составляющих, что приводит к окислению поверхности. Для подавления процесса окисления поверхности обрабатываемого изделия способ допускает подачу к зоне обработки инертных газов в виде аргона или гелия. Для более простой технической реализации подачу инертных газов способ предусматривает проводить методом обдува обрабатываемой зоны без использования специальных камер.

После нанесения реакционной легирующей смеси проводят обработку поверхности изделий из железоуглеродистых сплавов лазерным воздействием. В зависимости от технического оснащения в качестве источника лазерного излучения могут быть использованы как газовые, так и твердотельные лазерные установки. Для автоматизации процесса легирования поверхности могут быть использованы приспособления перемещения обрабатываемого изделия или источника лазерного излучения при помощи координатных станков.

Для практической реализации предлагаемого способа в качестве источника лазерного излучения применяли лазер импульсный сварочный ЛИС 25/2 со следующими основными характеристиками: длина волны лазерного излучения 1,06 мкм; максимальная энергия импульса, не менее 30 Дж; максимальная средняя мощность, не менее 75 Вт; частота повторения импульсов от 1 до 30 Гц; длительность импульсов от 0,1 до 20 мс; диапазон регулирования энергии импульса от 11 до 800 Дж; диаметр светового пятна от 0,25 до 2,0 мм.

Примеры конкретного исполнения

Пример 1. В качестве легирующей реакционной смеси использовали смесь титана и ферробора ФБ17 (17% бора) при отношении массы титана к массе бора, равное 2,2 (на 1 г титана добавляли 2,7 г ферробора с содержанием бора 17% масс). В качестве образца использовали пластину из стали 45. Образец помещали на рабочий столик трехкоординатного станка, наносили порошкообразную смесь слоем, толщиной до 0,2 мм и проводили обработку лазерным воздействием с помощью установки ЛИС 25/2. Режим обработки и скорость перемещения образца выбирали из предварительных экспериментов, что позволило получить на обрабатываемой поверхности стали бориды титана (TiB₂, Ti₃B₄) и железа (Fe₂B). Обработку проводили на воздухе, вследствие чего легированный слой также содержал оксиды титана (TiO₂) и железа (Fe₂O₃).

Пример 2. То же, что в примере 1, только в качестве реакционной смеси использовали смесь ферротитана с содержанием титана 70% и аморфного бора при отношении массы титана к массе бора, равное 2,1 (на 3 г ферротитана добавляли 1 г аморфного бора). После обработки легированный слой содержал бориды титана (TiB, TiB₂), железа (Fe₂B) и оксиды титана (TiO₂) и железа (Fe₂O₃).

Пример 3. То же, что в примере 2, только в качестве реакционной смеси использовали смесь ферротитана (70% Ti) и кристаллического бора при отношении массы титана к массе бора, равное 3,5 (на 2,5 г ферротитана добавляли 0,5 г кристаллического бора). После обработки легированный слой содержал бориды титана (TiB, TiB₂), железа (Fe₂B), их оксиды и интерметаллиды системы Fe-Ti вследствие избыточного содержания от стехиометрии реакции образования борида TiB₂ титансодержащего материала в реакционной смеси.

Пример 4. В качестве легирующей реакционной смеси использовали смесь ферротитана с содержанием титана 70% и аморфного бора при отношении массы титана к массе бора, равное 1,6 (на 3,5 г ферротитана добавляли 1,5 г аморфного бора). В качестве образца для нанесения покрытия применяли сталь 40X13. На поверхность образца наносили клеевое связующее на основе клея БФ с последующей обсыпкой данной области порошкообразной легирующей смесью до получения толщины слоя 0,1-0,15 мм. Для предотвращения окисления легированного слоя в процессе лазерной обработки в зону воздействия подавали аргон методом обдува. Легированный слой, сформированный при лазерном воздействии, содержал боридные составляющие титана в виде (TiB, TiB₂, Ti₃B₄) и железа (Fe₂B).

Пример 5. В качестве легирующей реакционной смеси использовали смесь ферротитана с содержанием титана 70% и аморфного бора при отношении массы титана к массе бора, равное 1,6 (на 3,5 г ферротитана добавляли 1,5 г аморфного бора). Для формирования наряду с боридами, также и карбидных составляющих к вышеупомянутой смеси добавляли порошкообразный углеродистый феррохром ФХ800 (65% хрома, 8% углерода) в количестве около 20% масс, от смеси ферротитана и бора. В качестве образца для нанесения покрытия применяли серый чугун СЧ15. Легирующее покрытие наносили на поверхность чугуна в виде пасты (смесь порошкообразных компонентов с клеевым связующим) с толщиной слоя 0,15-0,2 мм. В процессе обработки поверхности лазерным лучом в зону воздействия методом обдува подавали аргон. Легированный слой, полученный после обработки, содержал наряду с боридами титана (TiB, TiB₂) и железа (Fe₂B) также карбиды титана (TiC) и хрома ((Cr, Fe)₇С₃ (Cr, Fe)₂₃С₆).

Результаты экспериментов показывают, что предлагаемый способ является практически применимым и позволяет формировать при лазерной обработке в легированном слое на поверхности изделий из железоуглеродистых сплавов боридные составляющие титана.

Изобретение относится к области обработки материалов и модификации поверхности лазерным лучом, в частности к получению изделий из железоуглеродистых сплавов с легированным поверхностным слоем, содержащим бориды титана. Готовят реакционную смесь, содержащую порошок титана или ферротитана с содержанием титана не менее 60 мас. % и бора или ферробора с содержанием бора не менее 6 мас. %, при отношении массы титана к массе бора в пределах от 1 до 4. Упомянутую смесь наносят на обрабатываемую поверхность и обрабатывают лазером. Для дополнительного формирования в легированном слое хромсодержащих составляющих в реакционную смесь вводят порошок хрома или феррохрома в количестве не менее 5 мас. % от общей массы порошка титана или ферротитана и порошка бора или ферробора. Также упомянутую смесь можно готовить с добавлением клеевого связующего и наносить на обрабатываемую поверхность в виде краски или пасты. Обеспечивается высокая твердость и износостойкость. 4 н. и 4 з.п. ф-лы, 5 пр.

1. Способ получения изделия из железоуглеродистого сплава с легированным поверхностным слоем, содержащим бориды титана, путем лазерной обработки, включающий нанесение на обрабатываемую поверхность реакционной смеси и последующую обработку лазером, отличающийся тем, что на упомянутую поверхность наносят реакционную смесь, содержащую порошок титана или ферротитана с содержанием титана не менее 60 мас. % и порошок бора или ферробора с содержанием бора не менее 6 мас. %, при отношении массы титана к массе бора в реакционной смеси в пределах от 1 до 4.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед нанесением реакционной смеси на обрабатываемую поверхность наносят клеевое связующее, а реакционную смесь наносят путем обсыпки.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в процессе лазерной обработки к обрабатываемой поверхности подают инертный газ.

4. Способ получения изделия из железоуглеродистого сплава с легированным поверхностным слоем, содержащим бориды титана, путем лазерной обработки, включающий нанесение на обрабатываемую поверхность реакционной смеси и последующую обработку лазером, отличающийся тем, что на упомянутую поверхность наносят реакционную смесь, содержащую порошок титана или ферротитана с содержанием титана не менее 60 мас. %, порошок бора или ферробора с содержанием бора не менее 6 мас. % с добавлением порошка хрома или феррохрома в количестве не менее 5 мас. % от массы смеси порошка титана или ферротитана и порошка бора или ферробора, при отношении массы титана к массе бора в реакционной смеси в пределах от 1 до 4.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что перед нанесением реакционной смеси на обрабатываемую поверхность наносят клеевое связующее, а реакционную смесь наносят путем обсыпки.

6. Способ по п. 4 или 5, отличающийся тем, что в процессе лазерной обработки к обрабатываемой поверхности подают инертный газ.

7. Способ получения изделия из железоуглеродистого сплава с легированным поверхностным слоем, содержащим бориды титана, путем лазерной обработки, включающий нанесение на обрабатываемую поверхность реакционной смеси и последующую обработку лазером, отличающийся тем, что реакционную смесь, содержащую порошок титана или ферротитана с содержанием титана не менее 60 мас. % и порошок бора или ферробора с содержанием бора не менее 6 мас. % с добавлением клеевого связующего, наносят на обрабатываемую поверхность в виде краски или пасты, при отношении массы титана к массе бора в реакционной смеси в пределах от 1 до 4.

8. Способ получения изделия из железоуглеродистого сплава с легированным поверхностным слоем, содержащим бориды титана, путем лазерной обработки, включающий нанесение на обрабатываемую поверхность реакционной смеси и последующую обработку лазером, отличающийся тем, что реакционную смесь, содержащую порошок титана или ферротитана с содержанием титана не менее 60 мас. %, порошок бора или ферробора с содержанием бора не менее 6 мас. % и порошок хрома или феррохрома в количестве не менее 5 мас. % от массы смеси порошка титана или ферротитана и порошка бора или ферробора с добавлением клеевого связующего, наносят на обрабатываемую поверхность в виде краски или пасты, при отношении массы титана к массе бора в реакционной смеси в пределах от 1 до 4.