Способ упрочнения стальных изделий Советский патент 1991 года по МПК C21D1/09 

Изобретение относится к термической обработке стали при помощи концентрированных источников энергии, конкретнее электронным лучом, и может быть использовано в машиностроении для упрочнения инструмента.

Цель изобретения -улучшение качества изделий путем увеличения микротвердости и глубины упрочненного слоя.

Обработку поверхности стальных изделий проводят серией одиночных импульсов сильноточного электронного пучка с энергией электронов 10-50 кэВ, длительностью пучка (0.5-3) 10 с и плотностью энергии пучка 2-5 Дж/см2, при этом число импульсов в серии не превышает 150-300, а интервал ( Г0 ) между импульсами выбирают из соотношения

г fN-0л .1

(Ti-T0) г а

где N - число импульсов в серии;

g - плотность энергии пучка;

pt с, Ti, To. d - удельный вес. удельная теплоемкость, температура отпуска, исходная температура и коэффициент температу- ропроводимости1 стали соответственно.

Интервалы изменения параметров сильноточного импульсного электронного пучка: энергия электронов 10-50 кэВ, длительности пучка (0,5-3) с, плотности энергии пучка 2-5 Дж/см2 выбраны на основании следующих соображений.

о

00

ю

fe

W

Основным фактором, определяющим увеличение микротвердости и толщины упрочненного слоя, является волна напряжений, которая распространяется от облученной поверхности вглубь изделия. Источник возбуждения волны - эффект тер- моупругостй, вызванный быстрым расширением поверхностного слоя, разогретого до высоких температур при облучении материала электронным пучком.

Взаимодействие волны напряжений с кристаллической решеткой материала мишени приводит к повышению плотности дефектов в области ее распространения. Многократное нагружение поверхностных слоев волной напряжений при увеличении числа импульсов облучения обеспечивает эффект накопления дефектов и, соответственно, рост степени упрочнения и глубины упрочненной зоны. При N 300 достигается максимально возможная плотность дефектов для данного вида стали. Максимальное значение микротвердости при этом почти в два раза превышает значение микротвердости, характерное для обычной закаленной стали (табл.1).

Эффективность процесса накопления дефектов растет с увеличением амплитуды волны напряжений, которая зависит от максимальной температуры поверхности в зоне облучения. Повышение температуры на поверхности выше температуры плавления нецелесообразно из-за заметного испарения и образования кратеров, что вызывает необходимость в дополнительной механической обработке облученного поверхностного слоя. При температуре ниже температуры плавления амплитуда волны напряжений снижается и, соответственно, резко уменьшается скорость накопления дефектов (снижаются твердость и размер упрочненной зоны).

Таким образом, наиболее быстро и эффективно процесс накопления дефектов (упрочнение) происходит при облучении в режиме равномерного оплавления поверхности (поверхностный источник тепла). При этом реализуется довольно высокое качество поверхности и не требуется ее дополнительная обработка.

Высказанные положения положены в основу при выборе интервала изменения . параметров облучения: энергия электронов 10-50 кэВ, длительность импульса (0,5-3) с и плотность энергии пучка 2-5 Дж/см . Экспериментально доказано, что при энергии электронов менее 10 кэВ и плотности энергии менее 2 Дж/см2 поверхность облучаемой мишени не нагревается до температуры плавления. В результате

амплитуда волны напряжений мала и заметного упрочнения по сравнению с известным способом не наблюдают (табл.2).

При энергии электронов более 10 кэВ

поверхность равномерно оплавляется (поверхностный источник тепла) и развивается процесс упрочнения (растет микротвердость и глубина упрочненной зоны). Повышение энергии электронов свыше 50 кэВ и

плотности энергии свыше 5 Дж/см2 приводит к смене поверхностного источника тепла на объемный и на поверхности облучения появляются кратеры из-за сильного локального испарения Поэтому в качестве нижней

границы интервала изменения энергии электронов и плотности энергии пучка выбирают 10 кэВ и 2 Дж/см соответственно, а в качестве верхней границы 50 кэВ и 5 Дж/см2 соответственно (табл.2).

Уменьшение длительности импульса ниже значения 0, с приводит, как показали эксперименты по акустической диагностике (используют пьезокварцевый датчик), к росту амплитуды волны напряжений, однако, микротвердость непосредственно на поверхности при этом уменьшается из-за малого времени выдержки поверхностного слоя при высоких температурах, что приводит к неполноте фазовых превращений при

закалке из расплава.

При длительности импульса более 3 , несмотря на равномерное оплавление поверхности, амплитуда волны напряжений снижается настолько, что

существенное накопление дефектов с ростом число импульсов становится невозможным. В результате микротвердость поверхности облучения меняется слабо. Поэтому за нижнюю границу длительности импульса выбирают значение 0, с, а за верхнюю с (табл. 2).

При импульсном нагреве глубина упрочненного слоя может варьироваться как за счет изменения глубины проникновения

электронов, так и за счет изменения длительности импульса т . Увеличение глубины упрочненного слоя путем повышения энергии электронов пучка Е нецелесообразно по сяду причин. Поскольку X Е ( а

: -1,5-2), то с ростом Е необходимо увеличивать плотность тока пучка для достижения той же самой температуры упрочняемого слоя, что связано с рядом технических и принципиальных трудностей, увеличением энергоемкости установки, Кроме того, рост энергии электронов усложняет проблемы высоковольтной изоляции источника электронов, и наконец, применение высокоэнергетичных пучков повышает радиационную опасность

процесса, а следовательно, требует определенных издержек (отдельный бункер для ускорителя, свинцовые экраны и т.д.).

Возрастание глубины упрочняемого слоя за счет увеличения длительности им- пульса также нецелесообразно, так как в этом случае усложняются проблемы генерации длинноимпульсных пучков, высоковольтной изоляции источника электронов, кроме того, возрастают энергоемкость и га- бариты установки.

Поскольку микротвердость упрочняемого слоя имеет тенденцию к росту с увеличением скорости остывания слоя, то с этой точки зрения также нецелесообразно увели- чивать длительность импульса и глубину проникновения электронов.

При использовании для поверхностного упрочнения стального изделия импульсного сильноточного электронного пучка, представляющего собой поверхностный источник тепла, наблюдается увеличение микротвердости и глубины упрочненного слоя с ростом числа последовательных импульсов облучения (табл.1).

Интервал значений числа импульсов в серии выбран экспериментально. При числе (N) импульсов, равном примерно 150, значения микротвердости становятся максимальными для закаленных сталей ШХ 15 и 45, для стали Р6М5 микротвердость продолжает расти, но ее значения близки к максимальному (табл.1). Однако значения глибуны упрочненной зоны для всех сталей продолжают расти (табл.1). При числе (N) импульсов, равном 300, для всех сталей значения микротвердости и глубины упрочненного слоя максимальны. Дальнейшая обработка не приводит к существенным изменениям характеристик упрочненного слоя, вызывает излишние затраты энергии и экономически невыгодна.

Интервал между импульсами в серии выбран из условия остывания упрочняемого слря к началу следующего импульса до температуры, не превышающей температуру отпуска стали. При этом исходят из следующих соображений.

Приравнивают полную энергию электронного пучка за N импульсов количеству тепла, выделившемуся в образце

N g S yOcShOVTo),(1)

где S - площадь, облучаемая пучком;

h - расстояние, на которое распространяется тепло в течение интервала ( г0) между импульсами;

р- удельный вес;

с - теплоемкость стали;

Ti-температура отпуска стали;

То - исходная температура стали.

Для простоты считают задачу одномерной т.е. тепло распространяется в направлении, перпендикулярном поверхности материала. Поскольку глубина проникновения тепловой волны

h

где а - коэффициент температуропроводности стали;

Г0 - интервал между импульсами, то из выражения (1) получают условие для

г ГN 9 . г2- 1

(Ti-To) Г а

П р и м е р 1. Образцы изделий из сталей 45 после термической закалки и отпуска помещают в камеру электронно-лучевой установки, где их поверхность облучают сильноточным электронным импульсным пучком с энергией электронов кэВ, длительностью импульса г 1,0 мкс, плотностью энергии в пучке g 3,0 Дж/см . Интервал между импульсами составляет в соответствии с выражением (1) 10 с, число импульсов изменяют от 1 до 400.

После обработки образды вынимают из камеры и изучают методом микротвердости на приборе ПМТ-3 при нагрузке 50 Г. Микротвердость измеряют на поверхности облучения, затем образец разрезают в направлении, перпендикулярном поверхности облучения, и после шлифовки измеряют микротвердость на различной глубине от поверхности облучения.

За глубину упрочненного слоя принимают расстояние от поверхности облучения, где микротвердость максимальна, до места, где микротвердость равна микротвердости материала до облучения.

Изделия из сталей ШХ 15 и Р6М5 обрабатывают и излучают в дальнейшем таким же образом.

Результаты влияния числа импульсов на микротвердость и глубину упрочненной зоны в стальных изделиях, облученных импульсным электронным пучком (Е 30 кэВ, t 1.0 мкс, g 3,0 Дж/см представлены в табл.1.

Из табл. 1 видно, что с увеличением числа импульсов микротвердость на поверхности растет, достигая насыщения для стали 45 при примерно 200 импульсах для стали ШХ15,при 150 импульсах и для стали Р6М5 при 300 импульсах. Одновременно повышается глубина упрочненной зоны. При этом максимальные значения микротвердости и глубины упрочненной зоны достигают соответственно 1400 кГ/мм2 и 306 мкм для стали 45, 1780 кГ/.мм2 и 469 мкм для стали ШХ15.

1457 кГ/мм2 и 430 мкм для стали Р6М5, что ущественно выше, чем по известному спообу.

Приведенные результаты использованы при выборе граничных значений числа 5 мпульсов.

П р и м е р 2. Образцы изделий из стали 6 облучают в камере электронно-лучевой становки, варьируя параметры электронного пучка: длительность импульса, макси- 10 мальную энергию электронов и плотность нергии. После облучения при заданном наборе параметров пучка образцы изучают методом микротвердости.

Результаты влияния параметров облу- 15 чения на микротвердость и глубину упрочненной зоны стали 45 облученной лектронным пучком (),приведены в табл.2.

Зависимость микротвердости и глубины 20 прочненной зоны от длительности им пульса, энергии электронов и плотности энергии носит экстремальный характер.

При длительности импульса 0, с, энергии электронов 7 и 60 кэВ, плотности 25 мощности 2-3 Дж/см2 значения микротвердости близки к указанным в известном способе (табл.2). Поэтому за нижние граничные значения параметров облучения принимают: длительность импульса 0,5-10 с, энер- 30 гия электронов 10 кэВ и плотность энергии 2 Дж/см . При длительности импульса 3,5 10 6 с, энергии электронов 7-60 кэВ и плотности энергии 5-6 Дж/см2. Микротвердость и глубина упрочненной зоны 35 уменьшаются (табл.2) по сравнению с обработкой при совокупности параметров 3 с, 7-60 кэВ и 4-6 Дж/см2. Поэтому за верхние граничные значения параметров облучения принимают: длительность им- 40 пульса , энергия электронов 10 кэВ и плотность энергии 2 Дж/см2.

П р и м е р 3. Образцы изделий из стали 45 после термической закалки и отпуска помещают в камеру электронно-лучевой ус- 45 тановки, где их поверхность облучают сильноточным импульсным электронным пучком с энергией электронов Е 10 кэВ, длительностью импульса г 0,5 мкс, плотностью энергии в пучке g 2 Дж/см2. Интервал 50 между импульсами в соответствии с выражением (1) 4,5 с, число импульсов N 200.

Облученные образцы изучают таким же образом как в примере 1. Получены следующие результаты: максимальная микро- 55 твердость на поверхности Нм 1342 кГ/мм2, максимальная глубина упрочненного слоя d - 260 мкм.

П р и м е р 4. Образцы изделий из стали 45 после термической закалки и отпуска

помещают в камеру электронно-лучевой установки, где их поверхность облучают сильноточным электронным импульсным пучком с энергией электронов Е 50 кэВ, длительностью импульса г 3 мкс, плотностью энергии в пучке g 5 Дж/см2. Интервал между импульсами в соответствии с выражением (1) 28 с, число импульсов N 200. В результате исследований получают следующие результаты: максимальная микротвердость на поверхности Нм 1264 кГ/мм , максимальная глубина упрочненного слоя d 280 мкм.

П р и м е р 5. Образцы изделий из стали 45 после термической закалки и отпуска помещают в камеру электронно-лучевой установки, где их поверхность облучают сильноточным электронным импульсным пучком с энергией электронов Е 7 кэВ, длительностью импульса Г 0,4 мкс, плотностью энергии в пучке д 21,7 Дж/см. Интервал между импульсами в соответствии с выражением (1) 3,2 свисло импульсов N 200.

В результате исследований получены следующие результаты: максимальная микротвердость на поверхности Нм 1040 кГ/мм , максимальная глубина упрочненного слоя d 190 мкм.

П р и м е р 6. Образцы изделий из стали 45 после термической закалки и отпуска помещают в камеру электронно-лучевой установки, где их поверхность облучают сильноточным электронным импульсным пучком с энергией электронов Е 60 кэВ, длительностью импульса г 3,5 мкс, плотностью энергии в пучке д. 6,5 Дж/см2. Интервал между импульсами в соответствии с выражением (1) 47 с, число импульсов N 200.

В результате исследований получены следующие результаты: максимальная микротвердость на поверхности Нм 1245 кГ/мм , максимальная глубина упрочненного слоя d 198 мкм.

Таким образом, предлагаемый способ поверхностного упрочнения стальных изделий по сравнению с известным обеспечивает возрастание микротвердости поверхности и глубины упрочненной зоны в 1,5-2 раза, повышение безопасности работы, упрощение конструкции электронно-лучевой установки, улучшение ее весогабаритных и эксплуатационных характеристик.

Формула изобретения

1. Способ упрочнения стальных изделий, включающий нагрев поверхности до температуры закалки импульсом сильноточного электронного пучка с заданными

длительностью, энергией электронов и плотностью энергии пучка, о т л и ч а ю щ и й- с я тем, что, с целью улучшения качества изделий путем увеличения микротвердости и глубины упрочненного слоя, нагрев осуществляют импульсами многократно с заданным интервалом между импульсами и с длительностью импульса (0.5-3,0) с. энергией электронов 10-50 кэВ и плотностью энергии пучка 2,0-5,0 Дж/см2.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев осуществляют 150-300 импульсами.

3. Способ по п.1.отличающийся тем, что нагрев осуществляют с интервалом между импульсами не менее

г N-g. f.l,

lpC(Ti-fo) Г а

где N - число импульсов;

g - плотность энергии пучка, Дж/см ;

р- удельный вес, стали кг/см3;

с-удельнаятеплоемкость стали, ); а - коэффициент температуропроводности стали, см /с;

Т0 - комнатная температура, °С;

TI - температура отпуска стали, °С.

Изобретение относится к термической обработке стали при помощи концентрированных источников энергии и может быть использовано в машиностроении для упрочнения инструмента. Цель изобретения - улучшения качества изделий путем повышения микротвердости и увеличения глубины упрочненного слоя. Обработку поверхности стальных изделий проводят серией одиночных импульсов электронного пучка с энергией электронов 10-50 кэВ, длительностью импульсов (0,5-3) с и плотностью энергии пучка 2-5 Дж/см2. При этом число импульсов в серии не превышает 150-300, а интервал (Г0 ) между импульсами выбирают не менее Ng/pc (Ti-To)J1/a. где N - число импульсов в серии; g - плотность энергии пучка; /э,с, Ti, То, а - удельный вес, удельная теплоемкость, температура отпуска, исходная температура и коэффициент температуропроводности стали соответственно. 2 з.п. ф-лы, 2 табл. V е

Таблица 1

Таблица 2