Спосіб легування поверхневих шарів металевих виробів

Реферат: Спосіб легування поверхневих шарів металевих виробів включає опромінення поверхні виробу лазерним променем в режимі його оплавлення, а модифікуючий матеріал у вигляді дрібнодисперсного порошку подають струменем транспортуючого газу (Ar, СО2 або інші неактивні гази) в лазерний промінь безпосередньо у зону легування. При цьому, що каустику лазерного променя, перетвореного фокусуючою лінзою, охоплюють корпусом від лінзи до поверхні виробу, яку розташовують в зафокальній області каустики, а порошок подають в каустику в її найменшому перерізі. UA 122978 U (12) UA 122978 U UA 122978 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Корисна модель належить до методів підвищення характеристик міцності та працездатності металевих виробів шляхом насичення їх поверхонь легуючими (модифікуючими) добавками, що містять хром, вольфрам, ванадій, карбідо- та нітроутворюючими елементами (вуглець, азот) за рахунок теплового впливу лазерного променя на матеріал заготівки та легуючу добавку, і може знайти застосування в машинобудуванні, інструментальному виробництві тощо. Відомий спосіб легування поверхневих шарів металевих виробів шляхом попереднього нанесення на них обмазок, що містять легуючі добавки, та наступного опромінення лазерним променем на режимах, які викликають оплавлення поверхневого шару виробу. Недоліком відомого способу є використання механізму теплопровідності в матеріалі обмазки для передачі тепла поглинутої нею енергії променя до поверхні виробу та його розплавлення і при разючих відмінностях в теплофізичних властивостях матеріалів модифікатора та виробу знадобиться розплавлення обмазки, що викличе перегрів матеріалу виробу та його випаровування. Більш подібним до запропонованої корисної моделі вибраний спосіб легування поверхневих шарів металевих виробів, за яким поверхню виробу опромінюють лазерним променем в режимі його оплавлення, а модифікуючий склад у вигляді дрібнодисперсного порошку подають струменем транспортуючого газу (Ar, СО2 або інші неактивні гази) в лазерний промінь безпосередньо у зону легування. Недоліком цього способу є відсутність можливості створення на поверхні виробу явища дифузії модифікуючої добавки в розплавлений матеріал виробу у режимі "рідина в рідину", яка характеризується високою швидкістю дифузії. Причиною цього є суттєва відмінність температури плавлення матеріалу виробу (сталь, чавун, латунь, титан та його сплави) та компонентів модифікатора (Co, Cr, Mn, Nb, Ni, Mo, W, Та, V, а також сплави Cr-Mo-W, Ni-Nb тощо). Якщо режим опромінювання вибрати за теплофізичними властивостями модифікатора, то це викличе перегрів матеріалу виробу та його бурхливе (вибухоподібне) випаровування. Задачею корисної моделі є підвищення ефективності та якості операції легування шляхом збільшення глибини легованого шару та підвищення його однорідності. Поставлена задача вирішується способом легування поверхневих шарів металевих виробів, за яким поверхню виробу опромінюють лазерним променем в режимі його оплавлення, а модифікуючий склад у вигляді дрібнодисперсного порошку подають струменем транспортуючого газу (Ar, СO2 або інші неактивні гази) в лазерний промінь безпосередньо у зону легування, при цьому, згідно з корисною моделлю, каустику лазерного променя, перетвореного фокусуючою лінзою, охоплюють корпусом від лінзи до поверхні виробу, яку розташовують в зафокальній області каустики, а порошок подають в каустику в її найменшому перерізі. Схема реалізації запропонованого способу легування наведена на кресленні, де лазерний промінь 1 діаметром D перетворюється лінзою 2 та набуває подовжній профіль 6 змінного розміру (від D до d0 ), який називається каустикою, причому переріз мінімального розміру d0 знаходиться на віддалі від головної площини лінзи, яка приблизно дорівнює її фокусній відстані F . Каустику променя охоплюють корпусом 3 у вигляді подвійного зрізаного конуса із загальним перерізом на відстані F від лінзи. На рівні розташування цього перерізу вбудовано штуцер 4 для подачі порошку модифікатору. 5 - переріз зони легування в тілі виробу. Для використання в операції легування найбільш швидкого механізму дифузії "рідина в рідину" необхідно реалізувати їх зустріч у розплавленому стані. Для цього вибирають належний режим опромінення (за енергетичними, хвильовими та просторовими характеристиками d лазерного променя) для створення в перерізі каустики діаметром 0 інтенсивності з рівнем, достатнім для розплавлення порошку модифікатора створенням теплового джерела з густиною Wм 50 Ропл . Таким чином, при подачі порошку в переріз каустики гарантується його потужності розплавлення. Для того, що б розплавити матеріал виробу у його поверхневому шарі глибиною h її треба розташувати в перерізі каустики з нижчим рівнем інтенсивності випромінювання для створення теплового джерела з відповідним рівнем густини потужності розташуванням її поверхні на відстані ΔF від перерізу каустики: Fd F  0 D  м  WРопл  W в  Ропл  1/ 2       1    . 1 в WРопл . Це досягається UA 122978 U Для досягнення факту "рідина в рідину" порошок, нагрітий до температури плавлення Тпл , розплавиться через деякий час, який залежить від маси порошинки. Для цього її розмір необхідно обмежити величиною dn : dn  3,3 5 де: F a 1/ 2 ( ) D Vn a , коефіцієнт температуропровідності матеріалу модифікатора,  його Vn теплопровідність, - швидкість подачі порошку модифікатора. Для створення заданої концентрації m легуючої добавки в шарі матеріалу виробу завтовшки h порошок повинен подаватися транспортуючим газом з об'ємною концентрацією k : 1  Lм h  k  1  пл  100%  Lв m  пл   , 10 Lм Lв де:  - щільність матеріалу модифікатора, пл , пл - прихована теплота плавлення матеріалів модифікатора та виробу, відповідно. Для формування шару легованого матеріалу із заданою поверхневою концентрацією m потрібне відносне переміщення променя та поверхні Vв при швидкості подачі порошку Vм : Vм  400 15 20 dn Vвm 2 d0k . Таким чином створюється можливість формування шару легованого матеріалу виробу з контрольованою концентрацією модифікатора при найшвидшому виду дифузії "рідина в рідину", тобто задача корисної моделі досягнута. Джерела інформації: 1. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюра Н.И. Технологические процессы лазерной обработки. - Μ: МГТУ им. Баумана, 2008. - с. 664, с. 325, рис. 5.1 2. Бровер Г.И., Дьяченко Л.Д., Кацнельсон Е.А. Модифицирование поверхностного слоя сталей лазерным легированием. // М.: Упрочняющие технологии и покрытия. - 2007. - № 3. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 30 35 1. Спосіб легування поверхневих шарів металевих виробів, за яким поверхню виробу опромінюють лазерним променем в режимі його оплавлення, а модифікуючий матеріал у вигляді дрібнодисперсного порошку подають струменем транспортуючого газу (Ar, СО2 або інші неактивні гази) в лазерний промінь безпосередньо у зону легування, який відрізняється тим, що каустику лазерного променя, перетвореного фокусуючою лінзою, охоплюють корпусом від лінзи до поверхні виробу, яку розташовують в зафокальній області каустики, а порошок подають в каустику в її найменшому перерізі. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що поверхню виробу розташовують на відстані ΔF від перерізу каустики: F  40 Fd0 D 1/ 2       1 ,    м в де: WРопл , WРопл - густина потужності теплового джерела, створеного внаслідок лазерного опромінення, яка необхідна для розплавлення матеріалу модифікатора та виробу відповідно, F - фокусна відстань лінзи; D - діаметр променя на рівні головної площини лінзи; d0 - діаметр променя в перерізі його каустики. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що порошинкам модифікатора надають розмір, що не перевищує значення dn : dn  3,3 45  м  WРопл  W в  Ропл  F a 1/ 2 ( ) , D Vn де: a - коефіцієнт температуропровідності матеріалу модифікатора;  - його теплопровідність; Vn - швидкість подачі порошку модифікатора. 4. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що порошок модифікатора подають з концентрацією його часток в транспортувальному струмені газу: 2 UA 122978 U 1  Lм h  k  1  пл  100 % ,  Lв m  пл   5 де: Lм , Lв - прихована теплота плавлення матеріалу модифікатора та виробу відповідно;  пл пл щільність матеріалу модифікатора; h - глибина легування матеріалу виробу; m - поверхнева концентрація модифікатора в легованому шарі матеріалу. 5. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що порошок модифікатора подають із швидкістю: Vм  400 dn Vвm 2 d0k , де: Vв - швидкість відносного переміщення променя і виробу. Комп’ютерна верстка О. Гергіль Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3