Способ лазерного легирования поверхности металла Советский патент 1990 года по МПК C23C8/00 

Изобретение относится к технологии машиностроения, а именно к упрочнению поверхности металла с применением излучения лазера.

Целью изобретения является повышение качества упрочненных слоев и износостойкости путем внедрения полностью расплавленного легирующего элемента (ЛЭ) и равномерного его перемешивания с материалом матрицы.

Расчет плотности мощности лазерного излучения производят по формуле (Tn -Tj+LAj С

Т0 - температура окружающей

среды;

h - толщина легирующего покрытия;

LA - теплота плавления ЛЭ; а обработку лучом лазера осуществляют с плотностью мощности лазерного излучения

Чрак Я 5 Ю ВТ/CM2,

Если это неравенство не выполняется, то есть .aC4 то тогда большая часть легирующего вещества внедряется в виде твердых частиц, что приводит к снижению износостойкости из-за выкрашивания этих частиц, плохо сцепленных с материалом матрицы. Если же Вт/сма, то происходит интенсивное испарение обмазки и материала матрицы, что приводит к резкому ухудшению качества упрочненных слоев и

ел

сп ч

со

00

снижению износостойкости из-за нарушения геометрии поверхности и отсутствия легированных зон.

Предлагаемый способ обеспечивает высокое качество упрочненных слоев, так как при выполнении неравенства в зоне легирования гарантировано образование твердого раствора ,ЛЭ в материале матрицы, что влияет на равномерность распределения микротвердости и повышение износостойкости деталей.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

На поверхность металла наносят ЛЭ. Наилучшие результаты достигаются при гальваническом напылении или конденсацией в вакууме. Толщина нанесенного покрытия должна составлять 50- 80 мкм. Это диктуется требованиями к концентрации ЛЭ в зоне легирования, с одной стороны, и временем нанесения этих покрытий, с другой. Хорошие результаты достигаются также при нанесении ЛЭ в виде обмазки со связующим.

Далее рассчитывают плотность мощности лазерного излучения q.acq для данного соотношения параметров ЛЭ и матрицы и проводят обработку с плотностью мощности лазерного излучения Чрасч Я 5 И О6 Вт/см1. Причем обработку можно проводить с использованием как импульсного, так и непрерывного лазера.

Предлагаемый способ опробован на образцах из Fe, Cu, A1. В качестве насыщающего ЛЭ использовали W и Сг.

Осуществимость и преимущества предлагаемого способа можно проследить на конкретных примерах.

Пример 1. На поверхность армко-железа наносили порошок вольфрама, в качестве связующего использовали 50%-ный раствор клея БФ-2 в ацетоне, дисперсность порошка не превышала 20 мкм, толщина покрытия 80 мкм. Затем рассчитывали значение плотности мощности Цласч по Формуле, приведенной выше.

Результаты расчетов и анализ результатов обработки приведены в таблице.

Первоначально обработку проводили с плотностью мощности лазерного излучения q 2,, что больше Пр0сч«

В этом случае распределение микротвердости носит равномерный характер и достигает 15000 МПа. При обработке

0

5

0

5

0

35

40

45

50

55

с плотностью мощности q 2t106 Вт/см2, что меньше qfc,c4 , наблюдается уменьше- ние глубины зоны легирования, снижение среднего значения микротвердости до 8000 МПа, в зоне переплава имеются твердые включения глобулярной формы.

Обработка при q 5, Вт/см1 приводит к интенсивному испарению ЛЭ и материала матрицы, нарушается геометрия поверхности, легирование не происходит.

Пример 2. На поверхность меди наносили обмазку, содержащую порошок хрома, толщиной 80 мкм. Рассчитывали значение плотности мощности по формуле, приведенной выше. Затем проводили обработку поверхности лучом лазера с плотностью мощности q (,7 105 Вт/см2, что больше qpm,4.

Зона легирования характеризуется равномерным распределением ЛЭ и микротвердости, достигающей 10000 МПа. При обработке с q 10 Вт/см2, что меньше Црасч, наблюдается уменьшение глубины зоны плавления, снижение среднего значения микротвердости, появление твердых частиц, снижающих износостойкость.

Обработка при q 5, Вт/см приводит к нарушению геометрии поверхности, зона легирования не образуется из-за испарения ЛЭ и материала матрицы.

Пример 3. На поверхность алюминия наносили обмазку, содержащую порошок хрома, толщиной 80 мкм. Рассчитывали значение плотности мощности лазерного излучения по приведенной ранее формуле. Затем проводили обработку лазерным излучением с плотностью мощности q 8,5 Ю Вт/см1, что больше Чрев,.

Зона легирования в этом случае имеет равномерное распределение ЛЭ и микротвердости, достигающей 10000 МПа. При обработке с плотностью мощности q Вт/см1, что меньше расчетного значения qpaC4 , наблюдается уменьшение размеров зоны легирования, снижение среднего значения микротвердости и появление твердых включений глу- булярной формы, снижающих износостойкое т ь.

Обработка с плотностью мощности q 5,5«10б Вт/смг приводит к интенсивному испарению ЛЭ и материала матрицы, при этом нарушаетсп геометрия поверхности, а легирование не происходит.

Сравнительные данные приведены в таблице.

Из приведенных примеров видно, чт при обработке поверхности металла по режимам, предложенным в прототипе, а именно с плотностью мощности q 10s- 106 Вт/см2, нередко формируются некачественные легированные слои (см. примеры 16, 26, 36), так как обработка проводится без учета физических свойств металла и ЛЭ. В то же время легирование металла по предлагаемому способу с плотностью мощности лазерного излучения в интервале Чросч Ч 5 Р1 06Вт/смг позволяет получать легированные слои с гарантирова ным образованием твердого раствора Л в материале матрицы, с равномерным распределением ЛЭ и микротвердости, при этом наблюдается снижение скорости абразивного изнашивания в 2-3 ра- за.

Формула из, обретения

Способ лазерного легирования повер- 30 хности металла, включающий нанесение на поверхность обрабатываемой детали

JQ где а. 25

15

20

тугоплавкого элемента с температурой плавления больше температуры плавления матрицы и последующую обработку лучом лазера, отличающий- с я тем, что, с целью повышения качества упрочненных слоев и износостойкости деталей за счет внедрения полностью расплавленного легирующего элемента и равномерного его перемешивания с материалом матрицы, обработку лучом лазера ведут с плотностью мощности лазерного излучения, опреде- ляемой по соотношениям: Чрас ЧсЗНО Вт/см2;

I

Чрпсч JlnT

8аАрл сА(ТПАА -Т0)+ЪЛ

пл. л

- In Т

п

.}

А

-температуропроводность легирующего элемента (ЛЭ);

-плотность ЛЭ;

-теплоемкость ЛЭ; температуры плавления

ЛЭ и матрицы)

-температура окружающей среды;

-толщина легирующего покрытия ;

-теплота плавления ЛЭ. ,

Изобретение относится к лазерному легированию поверхности металлов и может быть использовано в машиностроении. Целью изобретения является повышение качества упрочненных слоев и износостойкости за счет внедрения полностью расплавленного легирующего элемента и равномерного его перемешивания с материалом матрицы. На поверхность обрабатываемой детали наносят тугоплавкий элемент и проводят обработку лучом лазера, причем сначала производят расчет плотности мощности лазерного излучения по формуле, приведенной в тексте описания, а затем поверхность металла обрабатывают лучом лазера с плотностью Q мощности Q_расч*98Q*985х10⁶ Вт/см². Это позволяет снизить скорость изнашивания в 2-3 раза. 1 табл.

в) 5 Ю 4000 (прототип)

МатериалЮЯЗ, 1.5б Ю a) i,7 10f 10000

основы Си

б) 3,5-10 ЙОО

Легирующий i860 элемент Сг

Материал 660,1 основы А1

в) 5 Ю ЙОО

(прототип)

а) 8,5 Ю 10000

8,22 1П5

б) 8 Ю5

1300

Легирующий i860 элемент Сг

в) 5 10

твердые включения глобулярного вида, наблюдается уменьшение зоны переплава

1,05Нарушение геометрии поверхности

неравномерное распределение микро- твердости

0,7Равномерное распределение микро-1

твердости по всей зоне

1,35Отдельные твердые включения глобулярного вида, уменьшение q приводит к уменьшению зоны легирования вплоть до полного исчезновения

1,35Нет легирования, наблюдается нарушение геометрии поверхности

0,7Равномерное распределение микротвердости по всей зоне

,4 Отдельные твердые включения глобулярного вида, уменьшение q приводит к уменьшению зоны легирования вплоть до полного исчезновения

1,35Нет легирования, наблюдается нарушение геометрии поверхности.