Способ упрочнения тонкостенных металлических изделий Советский патент 1992 года по МПК C21D1/09 

СЛ

С

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к термообработке с использованием высококонцентрированного источника энергии. Цель изобретения - повышение долговечности за счет увеличения предела выносливости и усталостной прочности. Тонкостенную пластину из стали 40Х упрочняют созданием сжимающих напряжений в поверхностных слоях наиболее нагруженных участков детали путем обработки первоначально поверхности, расположенной по одну сторону от нейтральной плоскости изгиба детали, затем противоположной. Обработку ведут лазерным излучением с режимом, обеспечивающим соотношение толщины детали к глубине упрочненного слоя; равное 13,3.

Изобретение относится к технологии обработки, в частности к термообработке высококонцентрированными источниками энергии, и может быть использовано в машиностроении при упрочнении тонкостенных металлических деталей, например пластин, мембран, оболочек, колец, работающих при переменных напряжениях изгиба и кручения, а также подвергающихся износу.

Известен способ изготовления упругих элементов, преимущественно пластин клапанов из дисперсионно-твердеющих сталей аустенитно-мартенситного класса (см. автор, св. № 1447878, кл. С 21 D 1/09), включающий закалку, холодную пластическую деформацию, строение, вырубку и локальный нагрев лазерным излучением до 700- 100б°С по периметру свободной кромки пластины.

Недостатком данного способа является только повышение сопротивления разрушению в зоне концентратора напряжений, а сопротивление усталостному разрушению и износостойкость поверхности не изменяются, причем рекомендации справедливы только для высоколегированных дисперсионно-твердеющих сталей аустенитно-мартенситного класса, имеющих ограниченную область применения. Следует также отметить сложность технологии термического упрочнения пластин, не исключающей значительные деформации.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату .к предлагаемому является способ упрочнения высоконагруженных металлических деталей (2), включающий поверхностное пластическое деформирование и создание дополнительных сжимающих напряжений путем

-,i

ND

О

поверхностного пластического деформирования в две стадии, причем сначала обрабатывают поверхности, воспринимающие наибольшие эксплуатационные нагрузки и расположенные по одну сторону от нейтральной плоскости изгиба детали, а затем поверхности детали, расположенные по другую сторону. Однако для создания дополнительных сжимающих напряжений поверхностным пластическим деформированием необходим механический контакт инструмента с деталью, что неприемлемо для тонкостенных деталей из-за возможного изменения размеров и геометрической формы в поперечном и продольном сечениях детали. Необходимо также отметить невысокую долговечность деталей вследствие малой усталостной прочности и низкой износостойкости деталей.

Цель изобретения - повышение долговечности деталей.

Поставленная цель достигается тем, что в способе упрочнения высоконагруженных тонкостенных металлических деталей, включающем создание сжимающих напряжений в поверхностных слоях наиболее на- груженных участков детали путем обработки первоначально поверхности, расположенной по одну сторону от нейтральной плоскости изгиба детали, затем противоположной, обработку ведут лазерным излучением с режимом, обеспечивающим отношение h/Z 12-15, где h - толщина детали; Z - глубина упрочненного слоя.

Формирование сжимающих напряжений при обработке лазерным излучением в две стадии может быть проиллюстрировано на примере с плоской пластиной, изготовленной из стали 40Х.

На первой стадии упрочнения пластины обрабатывается поверхность, которая по условиям эксплуатации более нагружена. В результате обработки лазерным излучением пластина изгибается вогнутостью к лазерному лучу, что свидетельствует о формировании в ее поверхностном слое сжимающих остаточных напряжений OAI , На второй стадии упрочнения пластины обрабатывается другая поверхность. Для придания пластине исходной прямолинейной формы обработку следует вести на режиме более высоком, на первой стадии. Это объясняется тем, что прогибу пластины в направлении первой стороны препятствует упрочненный на первой стадии обработки поверхностный слой пластины с первой стороны, который повышает изгибную жесткость пластины. На второй стадии

формируются в поверхностном слое с другой стороны сжимающие остаточные напряжения ОБ и с большей глубиной залегания. Прогиб пластины, связанный с упрочнением другой стороны на повышенном режиме, больше чем при упрочнении ее на режиме, одинаковом с режимом упрочнения первой стадии. Следовательно, и уровень сжимающих напряжений, возникающих в

поверхностном слое с первой стороны от прогиба пластины после второй стадии упрочнения на повышенном режиме, выше. В результате повышения уровня остаточных напряжений сжатия охи в наиболее

нагруженном поверхностном слое пластины с первой стороны, который достигается при двухстадийном упрочнении, сопротивление пластины усталостному нагружению возрастает. Поверхность упрочняют импульсным лазерным излучением. Вследствие этого на поверхности образуются пятна закалки.

Формирование остаточных напряжений в пятне происходит следующим образом.

При нагревании металла лазерным излучением в процессе теплового расширения возникают сжимающие напряжения, увеличивающиеся при увеличении температуры. При оптимальных режимах лазерного упрочнения без появления поверхности происходит неравномерное распределение температуры от 1400°Сна поверхности до

250°С на глубине 60 мкм. Рост сжимающих напряжений в каждом слое ограничивается пределом текучести, который на поверхности резко снижается. В нижележащих слоях.нагретых выше 250°С,происходит

релаксация возникающих напряжений сжатия. Еще ниже располагается слой, в котором к моменту окончания действия лазерного импульса образуются и сохраняются термические напряжения, не пре вышающие исходного предела текучести стали. При охлаждении начинается мартен- ситное превращение, сопровождающее увеличением объема, что приводит к формированию в закаленном поверхностном слое напряжений сжатия, которые суммируются с напряжениями растяжения термического происхождения. Поскольку структурные напряжения выше термических, то в итоге в закаленном слое формируются остаточные напряжения сжатия, а по краям пятна формируются напряжения сжатия.

Уровень сжимающих напряжений можно регулировать режимом лазерного упрочнения, например коэффициентом тия пятен закалки: D -S

где D - диаметр пятна закалки;

S - шаг обработки.

Пример. Образцы в виде пластин размером 80x15x0,8 мм из стали 40Х, изготовленные из проката (состояние поставки), подвергнутые механической обработке (тонкое фрезерование) с шероховатостью поверхности по 6 классу, подвергли обработке лазерным излучением на установке Квант-12. Лазерная термообработка проводилась на пяти режимах путем нанесения продольных дорожек с обеих сторон пластины. Энергия единичных импульсов Е 1 Дж, длительность импульса т- А мс, скорость перемещения образца относительно луча V 3,3 мм/с, диаметр луча изменяли от 0,5 до 0,8 мм расфокусировкой лазерного луча, при этом глубина упрочненного слоя изменялась от 80 до 40 мкм. Одну из поверхностей пластины упрочняют при коэффициенте перекрытия пятен закалки К 0,5, а затем упрочняют противоположную поверхность при К 0,3. При этом образцы сохраняют исходную прямолинейную, форму.

Соотношение h/Z, где h- толщина детали; Z- глубина упрочненного слоя, выбрано в качестве отличительного признака при упрочнении тонкостенных деталей в связи с тем, что именно оно определяет долговечность деталей при оптимальном сочетании высокой усталостной прочности с высокой износостойкостью упрочненных лазером поверхностей.

Усталостная прочность определяется коэффициентом упрочнения:

о -lynp

Р

о-чупр - предел выносливости упрочнённого образца;

ст-1 - предел выносливости образца до упрочнения.

. При соотношении h/Z 10 происходит разупрочнение материала ( / 0,75) вследствие увеличения глубины упрочненного слоя, твердости поверхности. При соотно- шении h/Z 20 происходит разупрочнение материала ( / 0,96) вследствие уменьше5 ния глубины упрочненного слоя, вызывающее неравномерную твердость поверхности детали, которая является металлургическим концентратором напряжений при циклических нагрузках. Соотношение h/Z 13,3

0 обеспечивает максимальное упрочнение материала (/ 1,62) вследствие оптимального сочетания высокой усталостной прочности и высокой износостойкости деталей. Соотношение h/Z 12-15 обеспечивает га5 рантированное упрочнение тонкостенных деталей, .

Результаты усталостных испытаний пластин показывают, что усталостная прочность повысилась в 1,62 раза, долговеч0 ность возросла в 10 раз. Микротвердость возросла в 1,5-2,5 раза по сравнению с поверхностным пластическим деформированием, что повышает износостойкость.

Использование предлагаемого способа

5 упрочнения высоконагруженных тонкостенных металлических деталей обеспечивает по сравнению с известным способом увеличение долговечности при оптимальном сочетании высокой усталостной прочности и

0 высокой износостойкости тонкостенных деталей.

Формула изобретения Способ упрочнения тонкостенных ме5 таллических изделий, включающий создание сжимающих напряжений в поверхностных слоях наиболее нагруженных участков детали путем обработки первоначально поверхности, расположенной

0 по одну сторону от нейтральной плоскости изгиба детали, затем противоположной, о т- личающийся тем, что, с целью повышения долговечности за счет увеличения предела выносливости и усталостной

5 прочности, обработку ведут лазерным излучением с режимом, обеспечивающим соотношение h/Z 12-15, где h - толщина детали; Z - глубина упрочненного слоя.