Способ упрочнения листа из сплава на основе железа
METHOD OF REINFORCING SHEET FROM IRON-BASED ALLOY

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к области обработки листовых заготовок из сплава на основе железа лазерным лучом с плавлением.
Известен способ получения ребра жесткости (патент №2247619, МПК B21D 22/24(2000.01), опубл. 10.03.2005) при штамповке деталей с ребрами жесткости. Изобретение относится к листовой штамповке и может быть использовано в машиностроении для получения точных деталей, имеющих ребра жесткости. Способ штамповки деталей с ребрами жесткости из листовой заготовки включает вырубку заготовки и рельефную формовку ребер жесткости. При этом сначала формуют ребра жесткости в направлении, противоположном требуемому, а затем переформовывают полученные ребра в обратном направлении в соответствии с конструкцией получаемого изделия. Достигается повышение жесткости, геометрической точности, исключение потери устойчивости в виде "хлопунов" детали.
Однако известный способ может быть использован только для повышения жесткости тонкостенных заготовок (толщина стенки до 2 мм), а также после использования данного способа изменяется геометрия заготовки, появляются остаточные напряжения, и применяется энергозатратное и изнашиваемое оборудование.
Известен способ лазерной термической обработки металлического листа (патент №2653738, МПК C21D 1/09(2006.01), C21D 9/46(2006.01), опубл. 14.05.2018) наиболее близкий к заявляемому изобретению и принятый за прототип. Изобретение относится к области машиностроения, в частности к области термической обработки заготовки лазерным лучом на большую глубину. Техническим результатом изобретения является увеличение жесткости исходной листовой заготовки за счет получения упрочненных локальных зон металлического листа с измененной микроструктурой на всю глубину заготовки посредством локального полного переплава металлического листа лазерным лучом.
Однако известный способ может быть использован только для металлических листов из перлитных, бейнитных или мартенситных закаливающихся сталей, в которых, в результате высоких скоростей охлаждения, после переплава лазерным лучом образуются закалочные структуры, имеющие высокую твердость и прочность.
Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является недостаточная жесткость листов, изготовленных из низколегированных (09Г2, 09Г2Д, 09Г2С, 10ГС) и низкоуглеродистых (Ст0, Ст1кп, Ст2сп, Ст2пс, Сталь10, Сталь15, Сталь08 и подобные) сплавов на основе железа, аустенитых легированных и высоколегированных не закаливающихся сплавов на основе железа (08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 12Х18Н10Б, 08Х17Н13М2Т и подобные).
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении жесткости листа из низколегированного или низкоуглеродистого, или аустенитного сплава на основе железа за счет создания упрочненных локальных зон с измененным химическим и фазовым составом.
Технический результат достигается тем, что в способе упрочнения листа из сплава на основе железа, включающим плавление лазерным лучом локальных зон на полную или не полную толщину листа и охлаждение, при этом при плавлении отступают на заданный шаг относительно первого переплава и осуществляют следующий переплав до получения необходимого количества переплавленных локальных зон, обеспечивающих требуемую жесткость листа, отличающийся тем, что при переплаве лазерным лучом одновременно в зону локального плавления подают карбидообразующий элемент, причем плавление лазерным лучом осуществляют с удельным тепловложением 20-25 кДж/м, скорости перемещения лазерного луча 15-250 мм/сек и мощности лазерного излучения 1-20 кВт.
Карбидообразующий элемент в зону переплава подают в виде порошка с объемом подачи 3-60 гр/мин.
Карбидообразующий элемент в зону переплава подают в виде проволоки со скоростью подачи 1-5 м/мин.
Переплав локальных зон осуществляют вдоль и/или поперек листа по прямой или криволинейной траектории.
На фигуре 1 представлена принципиальная схема осуществления переплава листа из сплава на основе железа с подачей карбидообразующего элемента в виде проволоки.
На фигуре 2 представлена принципиальная схема осуществления переплава листа из сплава на основе железа с подачей карбидообразующего элемента в виде порошка.
Позиции на фигурах: 1 - обрабатываемый лист из сплава на основе железа, 2 - лазерный луч, 3 - проволока из сплава, содержащего карбидообразующие элементы, 4 - ванна расплава, 5 - система подачи алюминиевого порошка, 6 - порошок, содержащий карбидообразующие элементы.
Устройство для осуществления способа состоит из роботизированного комплекса лазерной обработки, лазерной головы, системы подачи защитного газа (на фигуре не показано), системы подачи проволоки, содержащей карбидообразующие элементы, системы подачи порошка, содержащего карбидообразующие элементы, сварочного стола, прижимных устройств, обрабатываемого листа из сплава на основе железа 1.
Сущность способа заключается в следующем.
Механической и химической обработкой подготавливают лист из сплава на основе железа 1 необходимых размеров в диапазоне (Д×Ш×Т) 150×100×0.5 мм до 3000×1500×15 мм из низкоуглеродистых сталей марок Ст0, Ст1кп, Ст2сп, Ст2пс, Сталь10, Сталь15, Сталь08, или из низколегированных сталей марок 09Г2, 09Г2Д, 09Г2С, 10ГС, или из аустенитых легированных и высоколегированных не закаливающихся сталей 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 12Х18Н10Б, 08Х17Н13М2Т. Лист из сплава на основе железа 1 фиксируют на сварочном столе или на полете портальной установки (на фигуре не показано). Лазерным лучом 2 локальный участок листа из сплава на основе железа 1 переплавляют по прямой или криволинейной траектории вдоль и/или поперек на полную или не полную толщину, при этом одновременно с переплавом осуществляется подача металла, содержащего карбидообразующий элемент в виде порошка или проволоки в зону расплава, таким образом, чтобы металл, содержащий карбидообразующий элемент, переходил в жидкое состояние, взаимодействуя с расплавленным металлом листа из сплава на основе железа.
При этом уровень удельного тепловложения подбирается таким образом, чтобы образовавшаяся общая ванна расплава не начинала кипеть с образованием разбрызгивания и выплесков жидкого металла.
Режимы переплава зависят от толщины листа, требуемой глубины переплава, степени изменения химического состава и микроструктуры металла листа из сплава на основе железа в результате обработки. Основными параметрами режима переплава лазерным лучом являются линейная скорость переплава, мощность лазерного излучения, скорость подачи проволоки или объем подачи порошка. Стратегия обработки и режимы локального переплава задаются программой роботизированного комплекса.
При осуществлении процесса локального переплава используется плавное нарастание и убывание мощности лазерного луча 2, с целью обеспечения стабильности процесса переплава, т.е. недопущения разбрызгивания, спокойного поведения расплавленного металла и улучшения косметических характеристик переплавляемого листа.
После первого прохода локального переплава лазерный луч перемещается на заданный шаг относительно первого переплава и осуществляется второй проход переплава на соответствующих первому проходу режимах.
Между проходами локального переплава может выдерживаться время для естественного охлаждения заготовки или применяться принудительное охлаждение потоком воды, воздуха, инертного газа или смеси газов.
Операции продолжаются до конца осуществления необходимого количества проходов локального переплава, которые будут зависеть от геометрических размеров обрабатываемого листа и шага между проходами переплава. Используют материалы, низкоуглеродистые стали марок: Ст0, Ст1кп, Ст2сп, Ст2пс, Сталь10, Сталь15, Сталь08; низколегированные стали марок: 09Г2, 09Г2Д, 09Г2С, 10ГС; аустенитые легированные и высоколегированные не закаливающиеся стали марок: 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 12Х18Н10Б, 08Х17Н13М2Т.
Рекомендуемый уровень удельного тепловложения, при котором не будет происходить разбрызгивания расплавленного металла, но будет расплавляться лист из сплава на основе железа, находится в диапазоне 20-25 кДж/м. В зависимости от линейной скорости обработки и удельного тепловложения, будет зависеть количество металла (подаваемого в виде порошка или проволоки), содержащего карбидообразующий элемент, расплавленного в локальном участке листа из сплава на основе железа, скорость и объем диффузионных процессов, таких как образование простых карбидов на основе карбидообразующих элементов, образование сложных карбидов на основе железа и карбидообразующих элементов, образование других химических соединений на основе железа и карбидообразующих элементов.
При обработке некоторых марок сплавов на основе железа за счет высоких скоростей локального переплава и соответственно высоких скоростей охлаждения, возможно появление кристаллизационных трещин, во избежание появления которых необходимо снизить скорости обработки или применить предварительный, сопутствующий и последующий подогрев.
Режимы локального переплава зависят от марки сплава на основе железа, толщины листа 1, требуемой глубины переплава, требуемого количества карбидообразующих элементов, попавших в переплавленную зону листа из сплава на основе железа, находятся в диапазоне: скорость перемещения лазерного луча 15-250 мм/сек, мощность лазерного излучения 1-20 кВт, скорость подачи присадочной проволоки 1-5 м/мин, объем подачи присадочного порошка 3-60 гр/мин, также для заготовок толщиной свыше 8 мм может применяться заглубление фокуса в диапазоне 1-4 мм.
Таким образом, за счет локального изменения химического, компонентного и фазового состава посредством легирования локального участка листа из сплава на основе железа карбидообразующими элементами, переплавленного лазерным лучом с одновременной подачей карбидообразующих элементов, достигается эффект увеличения жесткости листа из сплава на основе железа.
Обоснование технического результата заключается в следующем. Эффект повышения жесткости листа из сплава на основе железа достигается за счет того, что при переплаве лазерным лучом расплавленный металл листа из сплава на основе железа взаимодействует с карбидообразующими элементами, подаваемыми в зону расплава в виде порошка или в виде проволоки. В результате химического взаимодействия расплавленных железа и карбидообразующих элементов, входящих в состав порошка или присадочной проволоки, происходит образование простых карбидов на основе карбидообразующих элементов; образование сложных карбидов на основе железа и карбидообразующих элементов; образование других химических (интерметаллидных) соединений на основе железа и карбидообразующих элементов.
7
3
23
6
2
2
2
2
3
3
3
3
7
3
23
6
3
2
7
6
Карбиды - TiC, CrC, CrC, WC, WC, NbC, NbC, VC, MoC и др.; сложные карбиды - FeMoC, FeWC, (Cr, Fe)C, (Cr, Fe)C; и др.; интерметаллидные химические соединения - FeNb, FeMo, Fe-Cr, Fe-V, Fe-W и др., способствуют увеличению количества зародышей зерен - центров кристаллизации, при кристаллизации локального, переплавленного лазерным лучом участка, в который подаются карбидообразующие элементы. Это приводит к измельчению размера зерна, ввиду того, что количество зародышей зерен увеличивается в том же объеме металла. Уменьшение размеров зерна, в свою очередь, приводит к препятствию перемещения и торможению дислокаций, то есть к снижению пластичности, а, соответственно, к увеличению твердости и жесткости обработанного участка. Также уменьшение размера зерна в металле локального переплавленного участка приводит к увеличению вязкости данного участка.
Наличие карбидообразующих элементов способствует образованию закалочных структур, таких как мартенсит и бейнит в переплавленном металле и закалочных структур троостит и сорбит в зоне термического влияния, что также приводит к торможению дислокаций. Таким образом за счет увеличения твердости и прочности, снижения пластичности локального участка обработанного листа происходит увеличение жесткости и упрочнение обрабатываемого листа. Это может применяться взамен приварки ребер жесткости и позволит не изменять геометрию листа за счет приварки ребер жесткости, при этом увеличивать жесткость листа. Также увеличение твердости и прочности отдельных функциональных участков листа из сплава на основе железа позволит сэкономить материальные средства за счет использования низкоуглеродистых и низколегированных сплавов на основе железа, взамен легированных и высоколегированных или упрочнять, не упрочняемые термической обработкой легированные сплавы на основе железа.