Способ упрочнения стальных изделий

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s С 21 0 1/09

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

О (21) 4754886/02 (22) 18.09.89 (46) 07.10.91. Бюл. N. 37 (71) Институт сильноточной электроники СО

АН СССР и Сибирский физико-технический институт им. В.Д.Кузнецова при Томском государственном университете (72) В.И.Итин, И.С.Кашинская, С.В.Лыков, Г.Е.Озур, Д,И.Проскуровский и В.П. Ротштейн (53) 621.785.79(088.8) (56) Патент Японии ¹ 30968. Кл. С 21 D 1/06, опублик. 19.06.68.

Авторское свидетельство СССР

N. 1010875, кл. С 21 0 1/06, 1985, (54) СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ СТАЛЬНЫХ

ИЗДЕЛИЙ (57) Изобретение относится к термической обработке стали при помощи концентрированных источников энергии и может быть

Изобретение относится к термической обработке стали при помощи концентриро- ванных 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/см, при этом число импуль2 сов в серии не превышает 150-300, а интер„, 5.0„„1682403 А1 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) 10 c: и плотностью

-в энергии пучка 2 — 5 Дж/см . При этом число

z импульсов в серии не превышает 150-300, а интервал (т, ) между импульсами выбирают не менее (Ng/ð С. (71-То) 1/а. где N число импульсов в серии; g — плотность энергии пучка; р,с, Т1, То. а — удельный вес. удельная теплоемкость, температура отпуска, исходная температура и коэффициент температуропроводности стали соответственно. 2 з.п. ф-лы, 2 табл. вал (fo ) между импульсами выбирают из соотношения к)(М 9 12.1 а где N — число импульсов в серии;

g — плотность энергии пучка; р, с, Т1, Т>, d — удельный вес, удельная теплоемкость, температура отпуска, исходная температура и коэффициент температуропроводимости стали соответственно.

Интервалы изменения параметров сильноточного импульсного электронного пучка: энергия электронов 10 — 50 кэВ, длительности пучка (0,5-3) ° 106 с, плотности энергии пучка 2-5Дж/см выбраны на осно2 вании следующих соображений.

1682403

Основным фактором, определяющим увеличение микротвердости и толщины упрочненного слоя, является волна напряжений, которая распространяется ат облученной поверхности вглубь изделия.

Источник возбуждения волны — эффект термоупругостй, 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 де фектов в области ее распространения.

Многократное нагру>кение поверхностных слоев волной напря>кений при увеличении числа импульсов облучения обеспечивает эффект накопления дефектов и, соответственно, рост степени упрочнения и глубины упрочненной зоны, При N = 300 достигается максимально возмо>кная плотность дефектов для данного вида стали. Максимальное значение микротвердости при атом почти в два раза превышает значение микротвердости, характерное для обычной закаленной стали (табл.1)..

Эффективность процесса накаггления дефектов растет с увеличением амплитуды волны напряжений, которая зависит от максимальной температуры поверхности в зоне облучения. Повышение температуры на поверхности выше темпера. гуры 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) происходи. 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)-"

>10 с и плотность энергии пучка 2-5

Дж/см . Экспериментальна доказано, «то г при энергии электро ав менее 10 кэВ и плотности энергии ме- åå 2 Дж/см 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

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

10 плотности энергии свыше 5 Дж/см приводит к смене поверхностного источника тепла на объемный и на поверхности облучения появляются кратеры из-за сильного локальногоиспарения Поз омув качестве нижней

15 границы интервала изменения энергии электронов и плотности энергии пучка выбирают 10 кэВ и 2 Дж/см соответственно, а в качестве верхней границы 50 кзВ и 5

Дж/см соответственно (табл.2).

20 Уменьшение длительности импульса ниже значения 0.5 10 бс приводит, как показали эксперименты по акустической диагностике, (используют пьезокварцевый датчик), к росту амплитуды волны напряжений, од25 нако, микротвердость непосредственно на поверхности при этом уменьшается из-за малого времени выдержки поверхностного слоя при высоких температурах, что приводит к неполноте фазовых превращений при

30 закалке из расплава.

При длительности импульса более 3

10 .с, несмотря на равномерное оплавление поверхности, амплитуда волны напряжений снижается настал ько, что

35 существенное накопление дефектов с ростом число импульсов становится невозможныы м. В результате ми к ротве рдость поверхности облучения меняется слабо, Поэтому за нижнюю границу длительности им40 пульса выбирают значение 0,5 10 с, а эа верхнюю 3 10 . с (табл. 2), При импульсном нагреве глубина упрочненного слоя может варьироваться как за счет изменения глубины проникновения

45 электронов Х, так и за счет изменения длительности импульса т, Увеличение глубины упрочненного слоя путем повышения энергии электронов пучка Е нецелесообразно rio аядч паичин. Поскольку X Е - (а=50 = =-1,5-2), та 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 энергоем55 кости установки. Кроме того, рост энергии электронов усложняет проблемы высоковольтной изоляции источника электронов, и наконец, применение высокоэнергетичных пучков повышает радиационную опасность

1682403 процесса, а следовательно, требует определенных издержек (отдельный бункер для ускорителя, свинцовые экраны и т.д.), Возрастание глубины упрочняемого слоя за счет увеличения длительности импульса также нецелесообразно, так как в этом случае усложняются проблемы генерации длинноимпульсных пучков, высоковольтной изоляции источника электронов, кроме того, возрастают энергоемкость и габариты установки.

Поскольку микротвердость упрочняемого слоя имеет тенденцию к росту с увеличением скорости остывания слоя, то с этой точки зрения также нецелесообразно увеличивать 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 слоя к началу следующего импульса до температуры, не превышающей температуру отпуска стали. При этом исходят из сле-. дующих соображений.

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

N g S = pcSh(Ti - To), (1) где S — площадь, облучаемая пучком;

h — расстояние, на которое распространяется тепло в течение интервала (rp ) между импульсами; р- удельный вес; с — теплоемкость стали;

Т1-температура отпуска стали;

To — исходная температура стали.

Для простоты считают задачу одномерной т.е, тепло распространяется в направлении, перпендикулярном поверхности

5 материала. Поскольку глубина проникновения тепловой волны

h.=Vs г,, где а — коэффициент температуропроводности стали:

10 т, — интервал между импульсами. то из выражения (1) получают условие для

N д у 1

pc < — Tp a

Пример 1. Образцы изделий из сталей

15 45 после термической закалки и отпуска помещают в камеру электронно-лучевой установки, где их поверхность облучают сильноточным электронным импульсным пучком с энергией электронов Е=ЗО кэВ, длительно20 стью импульса т= 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 образцы вынимают из камеры и изучают методом микротвердости на приборе ПМТ вЂ” 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.

Иэделия из сталей ШХ 15 и Р6М5 обра40 батывают и излучают в дальнейшем таким же образом.

Результаты влияния числа импульсов на микротвердость и глубину упрочненной зоны в стальных изделиях, облученных им45 пульсным электронным пучком (Е = 30 кэВ, = 1,0 мкс, д = 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 P6MS при 300 импульсах. Одновременно повышается глубина упрочненной зоны. При этом максимальные значения микротвердости и глубины упрочненной зоны достигают сооТветственно 1400 кГ/мм и 30б мкм для стали г

45, 1780 кГ/мм и 469 мкм для стали ШХ15, 1682403

1457 кГ/мм и 430 мкм для стали Р6М5, что существенно выше, чем по известному способу.

Приведенные результаты использованы при выборе граничных значений числа 5 импульсов.

Пример 2. Образцы изделий из стали

46 облучают в камере электронно-лучевой установки, варьируя параметры электронного пучка: длительность импульса, макси- 10 мальную энергию электронов и плотность энергии, 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 электронным пучком (N:=200)>приведены в табл.2.

Зависимость микротвердости и глубины 20 упрочненной зоны от длительности импульса, энергии электронов и плотности энергии носит экстре мал ь н ый характер.

При длительности импульса 0,4 10 с, энергии электронов 7 и 60 кэВ, плотности 25 мощности 2 — 3 Дж/см значения микротвер 2 рости 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 элект2оонов 10 кэВ и плотность энергии

2 Дж/см . При длительносги импульса

3,5 10 с, энергии электронов 7 — 60 кэВ и плотности энергии 5-6 Дж/см . Микро2 твердость и глубина упрочненной зоны 35 уменьшаются (табл.2) гю сравнению с обработкой при совокупности параметров 3»

«10 с, 7 — 60 кзВ и 4-6 Дж/см . Поэтому за верхние граничные значения параметров облучения принимают: длительность им- 40 пульса 3 10 6 с, энергия электронов 10 кэВ и плотность энергии 2 Дж/см, Пример 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 пучковым с энергией электронов Е = 10 кэВ, длительностью импульса т = 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 H> = 1342 кГ/мм, максимальная глубина упрочненного слоя d - 260 мкм.

Пример 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 т = 3 мкс, плотностью энергии в пучке g = 5 Дж/см .. Интервал

2 между импульсами в соответствии с выражением (1) 28 с, число импульсов N = 200.

В результате исследований получают следующие результаты: максимальная микротвердость на поверхности H> = 1264 кГ/мм, максимальная глубина упрочненного слоя d = 280 мкм.

Пример 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 т» 0,4 мкс, плотностью энергии в пучке g 21,7 Дж/см .

Интервал между импульсами в соответствии с выражением (1) 3,2 с,число импульсов N =200.

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

Пример 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 t» 3,5 мкс, плотностью энергии в пучке g 6,5 Дж/см . г

Интервал между импульсами в соответствии с выражением (1) 47 с, число импульсов N =200.

В результате исследований получены следующие результаты: максимальная микротвердость на поверхности Н = 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

1682403

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

И 9,2 1

5 рС 1-To а где N — число импульсов;

g — плотность энергии пучке, ф/см; р — удельный вес, стали кг/см; с-удельнаятеплоемкость стели. Джонг 10

10 а — коэфф1!циент температуропроводности стали, см /с;

To — комнатная температура, С;

T! — температура отпуска стали, С. длительностью, энергией электронов и плотностью энергии пучка, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью улучшения качества иэделий путем увеличения микротвердости и глубины упрочненного слоя, нагрев осуществляют импульсами многократно с эаданным интервалом между импульсами и с длительностью импульса (0,5 — 3.0) ° 10 с, энергией электронов 10 — 50 кэВ и плотностью энергии пучка 2,0-5,0 Дж/смг.

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

Таблица 1

Сталь Р6И5 (вак.) Сталь 45 (9ак.) Сталь ИХ!5 (9ак. ) т Микротвердость на поверхност !

1, (50)», кГ/мм < испо импуль-. ов

Число им- Иикротверпульсов дость на поверхност

H (50) кГ!мм 2

Глубина Число им упрочнен пульсов ной 9оны мкм .

Глубина упрочне

НОй 9ОН мкм

Глубина упрочненНОй 9ОНЫ мкм

Микротвердость на поверхности Q(50$, кГ/мма

50 ! оо

400 воо ооо

1гзо

1ЗОО

1400

1ЗО

290 зоо

304

306

<о го

150 гоо

400

1780

1ЗО

27О зоо

З7О

4го

464

469

1 850

10 950

20 1050

50 170

1оо 1г7о

150 1350

200 1400

200 1430

300 1450

350 1455

400 1460

1ЗО .гоо

350 зво

426

430

1682403

Таблица 2

Длительность Иакснмальная имлульса, энергия Е

10 с э,лектрояов, кэВ

Плотность энергии g

Дж/см

Иаксимальная микротвердость на поверхности

И„, кГ/ии й

Иак симал ьн ая глубина утрочненного слоя d, мкм

0,4

60 . ° °,,ь. М

° Э» °

1183

980

196

208

0,5

244

264

273

258

2-3

1218

1344

1368

1183

1346

1368.

1224

252

284

292

278

1337

1384

1356

1268

3,0

233

264

286

248

174

208

224

209

3,5

5-6

1238

1274

1244

Составитель A,Êóëåìèí

Редактор Н,Рогулич Техред М Моргентал Корректор М.Кучерявая

Производственнс-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 3383 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государс1венного комитета па изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5