Состав для лазерного карбоборирования титановых изделий Советский патент 1990 года по МПК C23C8/72 

Изобретение 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 - повышение поверхностной микротвердости обработанных изделий и равномерности распределения ее величины по упрочненной поверхности.

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

Окись алюминия Двуоккс ь кремния Борный ангидрид Карбид бора

4-10 6 - 14 25 - 35 Остальное

Компоненты выполняют следующие функции.

Карбид бора является основным упрочняющим компонентом и вводится в состав в виде порошка черного цвета с т.пл. 2720°С, обладает хорошим поглощением световой энергии. Его количество выбирается из условий достижения максимальной микротвердости поверхности за счет насьш5енйя ее образующимися в процессе лазерной обработки карбоборидами титана. Этому способствуют активные атомы углерода и бора, образуюпр еся при разложении

9 4

карбида бора за счет лазерной свето вой) энергии.

Окись алюминия вводят для дополнительного поглощения лазерной энергии и представляет собой порошок матового цвета с т.пл. 2050°С. Хотя сам карбид бора хорошо поглощает лазерную энергию, однако в то же время происходит и его интенсивное выгора- кие при лазерной обработке. Температура плавления окиси алюминия (205(70) ниже температуры плавления карбида бора (2720 С), поэтому происходит частичное растворение карбида бора в окиси алюминия.

При количестве окиси алюминия ме- нее 4% эффект дополнительного поглощения выражен слабо, а при содержании его в составе более 10% снижается микротвердость поверхности и эффективность упрочнения.

Двуокись кремния SiO является окислом, который при расплаве позволяет получать непрерьгоное растворение в нем карбида бора, а также углерода и бора, образую155йхся при термодиссоциации карбида бора, входит в пред- лагаемьй состав в виде порошка белого цвета с т.гш. 1600 Со Поскольку тем- пература,- плавления этого вещества значительно ниже те тературы плавления карбида бора, при лазерном нагреве значительная часть световой энергии идет на образоваш е расплава дву окиси кремния, в котором равномерно распределяется карбид бора, бор и углерод. Это приводит к равномерному распределению микротвердости упрочненного слоя. При количестве двуокиси кремйия менее 6% получение такого рас плава затрудненоJ что ведет к неоднородности распределения микротвердости При количестве двуокиси кремния более 14% происходит эффективная реак- ция вытеснения кремния из двуокиси кремния карбидом бора, бором и углеродом. Образующиеся при этом боросили- гщды и силициды титана имеют невысокую микротвердость, что является при- чиной снижения микротвердости в целом для упрочненной поверхности.

Борный ангидрид представляет собой порошок белого цвета с довольйо малой температурой плавления (450 С) Он вводится в состав для снижения температуры расплава и, соответственно, повьшения его текучести. Кроме того, при частичном разложении он яв

5

0

ляется 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 легирующих элементов в расплаве. Это приводит в конечном итоге после лазерной обработки к более равномерному распределению микротвердости по упг рочненной поверхности. При количестве борного ангидрида менее 25% такая эвтектика не образуется, и эффект равномерности снижается.

Кроме того, значительное снижение количества борного ангидрида приводит при прочих равных условиях к увеличе7 нию карбида бора в таком количестве, при котором уже протекает интенсивное выгорание последнего. Содержание борного ангидрида более 35% приводит при лазерной обработке из-за его малой температуры плавления к значительному испарению, а также образованию пузырьков газообразных окислов, следствием чего также является снижение микротвердости поверхностк.

Установлено, что среди известных сверхтвердых карбидов и боридов кар- , бид бора обладает наименьшей стандартной теплотой реакции диссогщагщи - 550 кДж. Поэтому при лазерном леги- ровании карб1едом 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 лазерном 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 химическз ю реакцию, образуют твердые карбобориды 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 прея цевременному выго- ранию карбида бора.

Вводимая при этом двуокись кремний не только способствует уменьшению температуры плавления, но и образованию относительно пластичньк боросилитщдов и силицидов титана различного стехио- метрического 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 повьшает жидкотекучесть расплава, что ведет к еще более равномерному распределению легирующих элементов и в конечном итоге - равномерному рас- пределению микротвердости по з рочнен- ной поверхности. Кроме того, все указанные факторы способствуют получению .значения микротвердости 28,5 ГПа на поверхности титановых изделий, которое ранее не достигалось с помощью известных составов лазерного легирования .

Пример. экспериментальной проверки предлагаемого состава подготовлены шесть смесей ингредиентов, три из которых 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 (50%-ный раствор клея БФ-2 на ацетоне), которая пульверизатором или кисточкой наносится на поверхность испытуемых 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.

70476

Режимы лазерной обработки следующие: энергия облучения 28 Дж, дли- тапьность импульса 8 мс; диаметр пят5 на 2 мм; коэффициент перекрытия 0,5. Испытания на микротвердость обработанных поверхностей проводят на микротвердомере roiT-3 при нагрузке 0,5Н, .Распредапение микротвердости по по1р верхности 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 мини15 мальное, максимальное и среднее значения Н величины микротвердости при испытаниям.

Кроме того, вьиисляют среднее квадратическое отклонение микротвер20 дости по поверхности облученных об- разцов

б

д

SiMiiH), .

п

0

25 и коэффициент вариации по среднему квадратичному отклонению

V0 ({J/H). 100(%),

где Hj - значение микротвердости (микротвердость каждого испытания); п - число испытаний; (). В таблице приведены сравнительные данные по микротзердости облученных поверхностей с использованием известного и предлагаемого составов. 5 Из приведенных данных следует, что предлагаемый состав (пп. 3 - 5) позволяет по сравнению с известным значительно снизить неравномерность 0 распределения микротвердости по упрочняемой поверхности (коэффициент вариации) в 1,8 - 2,3 раза, повысить среднюю величину микротвердости на . 30 - 50%.

5 Технико-экономические преимущест.- ва предлагаемого изобретения по срав нению с известным заключаются в следующем. Использование известного состава не обеспечивает равномерность

0 распределения микротвердссти по упг Фочняемой поверхности, причем значения максимальной и минимальной величин микротвердости отличаются более, чем в полтора раза. Такие скачки фи5 зико-механических характеристик упрочненного слоя могут привести к недостаточной надежности и долговеч- ности титановых изделий в эксплуа- тации.

Предлагаемый состав представляет сс1бой такую комбинацию ингредиентов и такое их оптимальное процентное содержание, которое позволяет полу- чятъ высокое значение микротвердости при одновременно равномерном распре- д« лении её по поверхности. Состав может наноситься как в виде порошка, так и в виде суспензии, что наиболее удобно и эффективно технологически. При этом входящие в предлагаемый состав компоненты не являются дефищ1тны- ми и дорогостоящими. В результате лазерной обработки состава на поверх- ности титановых изделий образуются равномерные темнозолотистые слои, прочно сцепленные с основным металлом

Использование изобретения позволяет повысить эффективность упрочнения U счет большей однородности упрочненного слоя и его повьшенной микротвердости.

Формула изобретения

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

Окись алюминия4-10

Двуокись кремния 6-14 Борный ангидрид 25 - 35 Карбид бораОстальное

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.

Состав

Содержание компонентов, мас.%

Карбид борз (известный) 14,1

Окись алюминия2.

Двуокись кремния 3

Воряый ангидрид 15

Карбид бораостальное

Окись ал1сминияА 21,324,722,0 4,216

Двуокись кремния 6

Борный ангидрид 25,

Карбид бораостальное

Окись алюминия7 25,728,526,4 3,512

Двуокись кремния 10

Ворный ангидрид 30

Карбид бораостальное

Окись алюминия10 22,125,321,8 4,3t5

Двуокись кремния 14

Ворный ангидрид 35

Карбид бораостальное

Окись алнядакчя12 17,421,318,1 4,516

Двуокись кремния 17

Ворный ангидрид 45 . Карбид бора осталь-.