RU2819007C1 - Method of forming boride components of titanium on surface of articles from iron-carbon alloys during laser processing - Google Patents
Method of forming boride components of titanium on surface of articles from iron-carbon alloys during laser processing Download PDFInfo
- Publication number
- RU2819007C1 RU2819007C1 RU2023118255A RU2023118255A RU2819007C1 RU 2819007 C1 RU2819007 C1 RU 2819007C1 RU 2023118255 A RU2023118255 A RU 2023118255A RU 2023118255 A RU2023118255 A RU 2023118255A RU 2819007 C1 RU2819007 C1 RU 2819007C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- titanium
- boron
- reaction mixture
- powder
- treated
- Prior art date
Links
- 239000010936 titanium Substances 0.000 title claims abstract description 78
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 76
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 74
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 57
- 229910001339 C alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 15
- QMQXDJATSGGYDR-UHFFFAOYSA-N methylidyneiron Chemical compound [C].[Fe] QMQXDJATSGGYDR-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 15
- 239000011541 reaction mixture Substances 0.000 claims abstract description 67
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 61
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims abstract description 61
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 28
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 26
- 229910001200 Ferrotitanium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 21
- 239000011651 chromium Substances 0.000 claims abstract description 20
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 19
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 17
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims abstract description 17
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 claims abstract description 13
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 claims abstract description 13
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 10
- 229910000604 Ferrochrome Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- 239000003973 paint Substances 0.000 claims abstract description 5
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 claims abstract 5
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims description 7
- 238000013532 laser treatment Methods 0.000 claims description 7
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 23
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 8
- 230000004048 modification Effects 0.000 abstract description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 abstract 1
- 238000003913 materials processing Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 23
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 22
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 17
- 239000000463 material Substances 0.000 description 14
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 11
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 9
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 8
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 7
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 5
- 238000011282 treatment Methods 0.000 description 5
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000007664 blowing Methods 0.000 description 4
- QDMRQDKMCNPQQH-UHFFFAOYSA-N boranylidynetitanium Chemical compound [B].[Ti] QDMRQDKMCNPQQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 4
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 4
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 3
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 3
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QYEXBYZXHDUPRC-UHFFFAOYSA-N B#[Ti]#B Chemical compound B#[Ti]#B QYEXBYZXHDUPRC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N Propane Chemical compound CCC ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910033181 TiB2 Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 239000012042 active reagent Substances 0.000 description 2
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 2
- 239000010953 base metal Substances 0.000 description 2
- -1 carbon Chemical compound 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 2
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 2
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 2
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- IXQWNVPHFNLUGD-UHFFFAOYSA-N iron titanium Chemical compound [Ti].[Fe] IXQWNVPHFNLUGD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 2
- 229910001018 Cast iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 102220504526 Dolichyl-diphosphooligosaccharide-protein glycosyltransferase subunit 4_V23K_mutation Human genes 0.000 description 1
- 229910002593 Fe-Ti Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001021 Ferroalloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001060 Gray iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 102220479482 Puromycin-sensitive aminopeptidase-like protein_C21D_mutation Human genes 0.000 description 1
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 1
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 description 1
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 description 1
- 238000005056 compaction Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 235000000396 iron Nutrition 0.000 description 1
- UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N iron oxide Inorganic materials [Fe]=O UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000013980 iron oxide Nutrition 0.000 description 1
- VBMVTYDPPZVILR-UHFFFAOYSA-N iron(2+);oxygen(2-) Chemical class [O-2].[Fe+2] VBMVTYDPPZVILR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005542 laser surface treatment Methods 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 239000003607 modifier Substances 0.000 description 1
- 238000005121 nitriding Methods 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 239000001294 propane Substances 0.000 description 1
- 239000003870 refractory metal Substances 0.000 description 1
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к области обработки материалов лазерным лучом и модификации поверхности при лазерной наплавке легирующих составов и может быть использовано для формирования легированного слоя, обладающего высокой твердостью и износостойкостью на поверхности изделий из железоуглеродистых сплавов.The invention relates to the field of processing materials with a laser beam and surface modification during laser surfacing of alloying compositions and can be used to form an alloy layer with high hardness and wear resistance on the surface of products made of iron-carbon alloys.
Из уровня техники известен способ получения компактных материалов, содержащих диборид титана, методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, включающий приготовление реакционной смеси из порошкообразных компонентов в виде ферротитана и ферробора с последующим компактированием и инициированием процесса СВС (Патент РФ №2658566 С2, МПК С22С 29/14, B22F 3/23. 21.06.2018. Бюл. №18). Данный способ предусматривает получение компактных материалов с диборидом титана путем нагрева смеси компонентов, при этом, способ не позволяет формировать легированные слои, содержащие боридные составляющие, на поверхности изделий из железоуглеродистых сплавов.The prior art knows a method for producing compact materials containing titanium diboride using the method of self-propagating high-temperature synthesis, including the preparation of a reaction mixture from powdered components in the form of ferrotitanium and ferroboron, followed by compaction and initiation of the SHS process (RF Patent No. 2658566 C2, IPC C22C 29/14, B22F 3/23. 06/21/2018. This method involves the production of compact materials with titanium diboride by heating a mixture of components, while the method does not allow the formation of alloyed layers containing boride components on the surface of products made of iron-carbon alloys.
Из уровня техники известен способ получения наноструктурированной поверхности сталей методом лазерно-плазменной обработки, включающий размещение детали в герметичной камере, заполнение объема камеры инертным газом или газом-модификатором с последующим воздействием лазерным лучом на обрабатываемую поверхность деталей (Патент РФ №2447012 С1. МПК В82В 3/00, С23С 4/12, В23К 26/34, C21D 1/09. 10.04.2012. Бюл. №10). Данный способ предусматривает обработку материала с применением специального оборудования, в частности герметичной камеры, систем подачи газов и перемещения обрабатываемой детали, что приводит к усложнению его технической реализации.The prior art knows a method for obtaining a nanostructured surface of steels using laser-plasma processing, which includes placing the part in a sealed chamber, filling the chamber volume with an inert gas or a modifier gas, followed by exposure of the processed surface of the parts to a laser beam (RF Patent No. 2447012 C1. MPK V82V 3 /00, S23S 4/12, V23K 26/34, C21D 04/10/2012 Bulletin. This method involves processing the material using special equipment, in particular a sealed chamber, gas supply systems and movement of the workpiece, which leads to the complication of its technical implementation.
Наиболее близким по технической сущности является способ модификации металлических поверхностей и устройство, включающий размещение обрабатываемой детали в реакционной камере, формирование потока рабочего газа, содержащего несущий газ и химически активные реагенты и/или легирующие добавки с последующим направлением потока на модифицируемую поверхность и воздействием лазерным импульсно-периодическим излучением (Патент РФ №2425907 С2. МПК С23С 4/12, С23С 16/48, С23С 16/513. 10.08.2011. Бюл. №22). Данный способ применим для азотирования и/или цементации поверхности чугунов и сталей, для легирования чистыми металлами или сплавами с формированием пересыщенных твердых растворов и образованием интерметаллидов, для легирования карбидами тугоплавких металлов (TiC, VC, ТаС, WC и др).The closest in technical essence is a method for modifying metal surfaces and a device that includes placing the workpiece in a reaction chamber, forming a flow of working gas containing a carrier gas and chemically active reagents and/or alloying additives, followed by directing the flow onto the modified surface and exposing it to laser pulses. periodic radiation (RF Patent No. 2425907 C2. IPC S23S 4/12, S23S 16/48, S23S 16/513. 08/10/2011. Bulletin No. 22). This method is applicable for nitriding and/or carburization of the surface of cast irons and steels, for alloying with pure metals or alloys with the formation of supersaturated solid solutions and the formation of intermetallic compounds, for alloying with carbides of refractory metals (TiC, VC, TaC, WC, etc.).
Недостатком прототипа является ограниченная область применения, связанная с необходимостью использования для модифицирования сложного оборудования, включающего реакционную камеру, системы подвода газового потока, подготовки и формирования потока рабочего газа. Также в данном способе в качестве легирующих составляющих предусмотрено использование химически активных газов (азот, аммиак, пропан и др.) или химически активных реагентов в виде паров или аэрозолей. Это снижает область применения указанного способа и усложняет технологический процесс обработки поверхности металлических материалов.The disadvantage of the prototype is the limited scope of application associated with the need to use complex equipment for modification, including a reaction chamber, gas flow supply systems, preparation and formation of the working gas flow. Also in this method, the use of chemically active gases (nitrogen, ammonia, propane, etc.) or chemically active reagents in the form of vapors or aerosols is provided as alloying components. This reduces the scope of application of this method and complicates the technological process of surface treatment of metal materials.
Все это снижает универсальность и техническую применимость прототипа.All this reduces the versatility and technical applicability of the prototype.
Предлагаемый способ является более технически применимым и универсальным для формирования легированного слоя на поверхности изделий из железоуглеродистых сплавов.The proposed method is more technically applicable and universal for the formation of an alloyed layer on the surface of products made of iron-carbon alloys.
Повышение универсальности и технической применимости предлагаемого способа выражается в том, что он позволяет проводить процесс легирования поверхности изделий из железоуглеродистых сплавов с использованием лазерного излучения без использования сложного оборудования и химически активных легирующих сред в виде газовых составляющих.The increased versatility and technical applicability of the proposed method is expressed in the fact that it allows the process of alloying the surface of products made of iron-carbon alloys using laser radiation without the use of complex equipment and chemically active alloying media in the form of gas components.
Способ осуществляется следующим образом.The method is carried out as follows.
В начале путем смешивания готовят реакционную смесь, состоящую из порошкообразных титан- и борсодержащих компонентов, при этом отношение массы титана к массе бора в данной смеси находится в пределах от 1 до 4. В качестве титансодержащих компонентов реакционной смеси способ предусматривает использование титана или ферротитана с содержанием титана не менее 60% масс, поскольку меньшее содержание титана приводит к уменьшению боридных составляющих в легированном слое. В качестве борсодержащих компонентов легирующей смеси способ допускает применение бора, как аморфного, так и кристаллического, или ферробора с содержанием бора не менее 6% масс. Аморфный и кристаллический бор обладают различной реакционной способностью, что в зависимости от состава реакционной смеси позволяет оптимизировать процесс формирования боридов титана при лазерной обработке поверхности. Для регулирования количества боридных составляющих титана способ допускает применение в качестве борсодержащего материала ферробора, с содержанием бора не менее 6% масс., поскольку более низкое содержание бора приводит к снижению боридов в легированном слое. В зависимости от формы и геометрии деталей способ предусматривает нанесение реакционной смеси как в виде порошков, так и с использованием клеевого связующего. В случае обработки деталей в горизонтальной плоскости способ допускает нанесение реакционной смеси на поверхность в виде порошков без связующего. Толщину слоя порошкообразной смеси при этом можно варьировать как дисперсностью компонентов смеси, так и при помощи специальных доступных приспособлений (кондукторы в виде пластин с щелью требуемой высоты и др.). Для лучшей фиксации реакционной смеси, особенно при сложном рельефе поверхности обрабатываемого изделия способ допускает применение клеевого связующего - введение связующего к исходной реакционной смеси и последующее ее нанесение на поверхность в виде краски или пасты, либо нанесение клеевого связующего на поверхность обрабатываемого изделия с последующей обсыпкой вышеуказанной области порошкообразной реакционной смесью. После нанесения на поверхность изделия реакционной смеси проводят обработку лазерным воздействием. В зависимости от требуемого технического результата способ допускает проводить обработку как однократным воздействием лазерного излучения в точку на поверхности, так и многократным. Выбор количества импульсов в точку обрабатываемой поверхности и режимы обработки зависят как от состава реакционной смеси, толщины слоя, так и от технических характеристик применяемого для воздействия лазерного устройства. Для обеспечения наиболее оптимальных условий обработки способ допускает применение порошкообразных компонентов реакционной смеси фракцией, не превышающий 1 мм, поскольку использование более крупных составляющих реакционной смеси не позволит получить качественный и однородный слой на поверхности обрабатываемого изделия. С целью получения легированного слоя, сочетающего боридные составляющие и основной металл, способ предусматривает проводить обработку без перекрытия зон точечного лазерного воздействия между собой, а интервал между ними может составлять до 2 диаметров пятна лазерного облучения. Для образования в легированном слое преимущественно боридных составляющих способ допускает обрабатывать поверхность с перекрытием зон точечного лазерного воздействия между собой, при этом область контакта должна составлять не менее 5% от площади пятна лазерного облучения, поскольку меньшая область контакта не приведет к полной обработке поверхности.First, by mixing, a reaction mixture is prepared consisting of powdered titanium- and boron-containing components, and the ratio of the mass of titanium to the mass of boron in this mixture is in the range from 1 to 4. As titanium-containing components of the reaction mixture, the method involves the use of titanium or ferrotitanium containing titanium at least 60% by weight, since a lower titanium content leads to a decrease in boride components in the alloyed layer. As boron-containing components of the alloying mixture, the method allows the use of boron, both amorphous and crystalline, or ferroboron with a boron content of at least 6% by weight. Amorphous and crystalline boron have different reactivity, which, depending on the composition of the reaction mixture, makes it possible to optimize the process of formation of titanium borides during laser surface treatment. To regulate the amount of boride components of titanium, the method allows the use of ferroboron as a boron-containing material, with a boron content of at least 6 wt.%, since a lower boron content leads to a decrease in borides in the alloyed layer. Depending on the shape and geometry of the parts, the method involves applying the reaction mixture both in the form of powders and using an adhesive binder. In the case of processing parts in a horizontal plane, the method allows the application of the reaction mixture to the surface in the form of powders without a binder. The thickness of the layer of the powder mixture can be varied both by the dispersion of the mixture components and by using special available devices (conductors in the form of plates with a slot of the required height, etc.). For better fixation of the reaction mixture, especially with a complex surface topography of the workpiece, the method allows the use of an adhesive binder - the introduction of a binder to the initial reaction mixture and its subsequent application to the surface in the form of paint or paste, or the application of an adhesive binder to the surface of the workpiece with subsequent sprinkling of the above area powdery reaction mixture. After applying the reaction mixture to the surface of the product, laser treatment is carried out. Depending on the required technical result, the method allows for treatment either with a single exposure to laser radiation at a point on the surface, or multiple times. The choice of the number of pulses per point on the surface being treated and the processing modes depend both on the composition of the reaction mixture, the thickness of the layer, and on the technical characteristics of the laser device used for the impact. To ensure the most optimal processing conditions, the method allows the use of powdered components of the reaction mixture in a fraction not exceeding 1 mm, since the use of larger components of the reaction mixture will not allow obtaining a high-quality and uniform layer on the surface of the processed product. In order to obtain an alloyed layer combining boride components and the base metal, the method provides for processing without overlapping the zones of point laser irradiation with each other, and the interval between them can be up to 2 diameters of the laser irradiation spot. To form predominantly boride components in the doped layer, the method allows for surface treatment with overlapping point laser irradiation zones, and the contact area must be at least 5% of the laser irradiation spot area, since a smaller contact area will not lead to complete surface treatment.
С целью регулирования количества боридных составляющих в легированном слое способ предусматривает изготовление реакционной смеси из титан- и борсодержащих компонентов при отношении массы титана к массе бора от 1 до 4. Величина данного соотношения, равная 1, предполагает увеличенное, от стехиометрии образования борида титана TiB2 количество бора в реакционной смеси, что в процессе формирования легированного слоя при лазерном воздействии позволяет формировать значительное количество боридных составляющих титана. Отношение массы титана к массе бора в реакционной смеси, равное 4, соответствует избыточному количеству титана, что в процессе лазерной обработки вызывает дополнительное формирование интерметаллидов, в частности, системы титан - железо, в результате взаимодействия реакционной смеси с материалом обрабатываемого изделия.In order to regulate the amount of boride components in the alloyed layer, the method involves the production of a reaction mixture from titanium and boron-containing components with a titanium to boron weight ratio of 1 to 4. The value of this ratio, equal to 1, implies an increased amount of titanium boride TiB 2 from the stoichiometry of formation boron in the reaction mixture, which, during the formation of the alloyed layer under laser irradiation, allows the formation of a significant amount of titanium boride components. The ratio of the mass of titanium to the mass of boron in the reaction mixture, equal to 4, corresponds to an excess amount of titanium, which during laser processing causes additional formation of intermetallic compounds, in particular, the titanium-iron system, as a result of the interaction of the reaction mixture with the material of the workpiece.
Лазерное воздействие на поверхность обрабатываемого изделия из железоуглеродистых сплавов с нанесенным слоем реакционной смеси вызывает локальный нагрев вследствие как высокой энергии излучения, так и в силу протекания процессов образования боридов титана при взаимодействии в системе обрабатываемый материал - реакционная смесь. Для предотвращения окисления обрабатываемой поверхности способ допускает подачу к зоне обработки инертных газов в виде аргона или гелия. Для более простой технической реализации подачу инертных газов способ предусматривает проводить методом обдува обрабатываемой зоны без использования специальных камер.Laser exposure to the surface of a workpiece made of iron-carbon alloys with an applied layer of the reaction mixture causes local heating due to both high radiation energy and due to the occurrence of processes of formation of titanium borides during the interaction of the material being processed - the reaction mixture in the system. To prevent oxidation of the treated surface, the method allows the supply of inert gases in the form of argon or helium to the treatment zone. For a simpler technical implementation, the method provides for the supply of inert gases by blowing the treated area without the use of special chambers.
Для расширения области применения данного способа он предусматривает дополнительное введение к реакционной смеси, состоящей из титан- и борсодержащих компонентов порошкообразных добавок хромсодержащих материалов в виде хрома или феррохрома в количестве, не менее 5% масс, от исходной реакционной смеси.To expand the scope of application of this method, it provides for the additional introduction to the reaction mixture consisting of titanium- and boron-containing components of powdered additives of chromium-containing materials in the form of chromium or ferrochrome in an amount of at least 5% by weight of the initial reaction mixture.
Способ осуществляется следующим образом.The method is carried out as follows.
К реакционной смеси из титансодержащих компонентов в виде титана или ферротитана с содержанием титана не менее 60% масс и борсодержащих компонентов в виде бора (аморфного или кристаллического) или ферробора с содержанием бора не менее 6% масс, взятых в отношении массы титана к массе бора от 1 до 4, дополнительно вводят хромсодержащие материалы в виде хрома или феррохрома, в количестве, не менее 5% масс, от исходной реакционной смеси. В качестве компонентов реакционной смеси для формирования в легированном слое в процессе лазерного воздействия боридов титана способ допускает применение ферросплавов, в частности, ферротитана с содержанием титана не менее 60% масс и ферробора с содержанием бора не менее 6% масс, поскольку меньшее содержание титана и бора не позволяет получать в обработанном слое значительное количество боридных составляющих. Для регулирования реакционной способности легирующих порошкообразных смесей способ допускает применение в качестве борсодержащих компонентов аморфного или кристаллического бора, отличающиеся различной реакционной способностью, в частности, при взаимодействии с титансодержащими компонентами. С целью регулирования количества боридных составляющих в обработанном легированном слое способ предусматривает изготовление реакционной смеси из титан- и борсодержащих компонентов при отношении массы титана к массе бора от 1 до 4. При значении данного отношения, равного 1, реакционная смесь содержит избыточное, от стехиометрии образования борида титана TiB2 количество бора в реакционной смеси, что в процессе формирования легированного слоя при лазерном воздействии позволяет формировать значительное количество боридных составляющих титана. Отношение массы титана к массе бора в реакционной смеси, равное 4, соответствует избыточному количеству титана, что в процессе лазерной обработки вызывает дополнительное формирование интерметаллидов, в частности, системы титан - железо, в результате взаимодействия реакционной смеси с материалом обрабатываемого изделия. Известно, что титан при взаимодействии с бором или борсодержащими материалами образует стабильные бориды, в частности, TiB, TiB2. При этом, хром, являясь боридообразующим элементом, также при взаимодействии с бором или борсодержащими компонентами образует бориды, в частности, Cr2B, CrB, CrB2 (Самсонов Г.В., Серебрякова Т.И., Неронов В.А. Бориды. М.: Атомиздат.1975. - 376 с.). Бориды хрома также как и титана обладают высокой твердостью и применяются, в том числе для изготовления абразивостойких материалов. Введение хромсодержащих материалов к легирующей смеси из титан- и борсодержащих компонентов при обработке поверхности лазерным воздействием вызывает формирование наряду с боридами титана также боридных составляющих хрома. В качестве хромсодержащих компонентов в реакционной смеси способ допускает применение хрома или феррохрома, в том числе и углеродистого. Использование феррохрома в реакционной смеси приводит к формированию при обработке дополнительных составляющих, содержащих железо, а при изготовлении реакционной смеси углеродистого феррохрома позволяет формировать, наряду с боридными составляющими титана и хрома, также их карбиды.To a reaction mixture of titanium-containing components in the form of titanium or ferrotitanium with a titanium content of at least 60% by weight and boron-containing components in the form of boron (amorphous or crystalline) or ferroboron with a boron content of at least 6% by weight, taken in the ratio of the mass of titanium to the mass of boron from 1 to 4, chromium-containing materials are additionally introduced in the form of chromium or ferrochrome, in an amount of at least 5% by weight of the initial reaction mixture. As components of the reaction mixture for the formation of titanium borides in the alloyed layer during laser exposure, the method allows the use of ferroalloys, in particular, ferrotitanium with a titanium content of at least 60% by weight and ferroboron with a boron content of at least 6% by weight, since the content of titanium and boron is lower does not allow obtaining a significant amount of boride components in the treated layer. To regulate the reactivity of alloying powder mixtures, the method allows the use of amorphous or crystalline boron as boron-containing components, which have different reactivity, in particular, when interacting with titanium-containing components. In order to regulate the amount of boride components in the treated alloy layer, the method involves producing a reaction mixture from titanium- and boron-containing components with a ratio of the mass of titanium to the mass of boron from 1 to 4. When this ratio is equal to 1, the reaction mixture contains excess of the stoichiometry of boride formation titanium TiB 2 the amount of boron in the reaction mixture, which during the formation of the alloyed layer under laser irradiation allows the formation of a significant amount of boride components of titanium. The ratio of the mass of titanium to the mass of boron in the reaction mixture, equal to 4, corresponds to an excess amount of titanium, which during laser processing causes additional formation of intermetallic compounds, in particular, the titanium-iron system, as a result of the interaction of the reaction mixture with the material of the workpiece. It is known that titanium, when interacting with boron or boron-containing materials, forms stable borides, in particular TiB, TiB 2 . At the same time, chromium, being a boride-forming element, also, when interacting with boron or boron-containing components, forms borides, in particular, Cr 2 B, CrB, CrB 2 (Samsonov G.V., Serebryakova T.I., Neronov V.A. Borides . M.: Atomizdat. 1975. - 376 pp.). Chromium borides, like titanium, have high hardness and are used, among other things, for the manufacture of abrasion-resistant materials. The introduction of chromium-containing materials to an alloying mixture of titanium- and boron-containing components during surface treatment by laser action causes the formation of chromium boride components along with titanium borides. The method allows the use of chromium or ferrochrome, including carbon, as chromium-containing components in the reaction mixture. The use of ferrochrome in the reaction mixture leads to the formation during processing of additional components containing iron, and in the manufacture of the reaction mixture of carbon ferrochrome allows the formation, along with the boride components of titanium and chromium, also of their carbides.
Приготовленную реакционную смесь наносят на поверхность изделий из железоуглеродистых сплавов с последующим воздействием на данную область лазерного излучения. В зависимости от формы и геометрии деталей способ предусматривает нанесение реакционной смеси как в виде порошков, так и с использованием клеевого связующего. В случае обработки деталей в горизонтальной плоскости способ допускает нанесение реакционной смеси на поверхность в виде порошков без связующего. Толщину слоя порошкообразной смеси при этом можно варьировать как дисперсностью компонентов смеси, так и при помощи специальных доступных приспособлений (кондукторы в виде пластин с щелью требуемой высоты и др.). Для лучшей фиксации реакционной смеси, особенно при сложном рельефе поверхности обрабатываемого изделия способ допускает применение клеевого связующего - введение связующего к исходной реакционной смеси и последующее ее нанесение на поверхность в виде краски или пасты, либо нанесение клеевого связующего на поверхность обрабатываемого изделия с последующей обсыпкой вышеуказанной области порошкообразной реакционной смесью. После нанесения на поверхность изделия реакционной смеси проводят обработку лазерным воздействием. В зависимости от требуемого технического результата способ допускает проводить обработку как однократным воздействием лазерного излучения в точку на поверхности, так и многократным. Выбор количества импульсов в точку обрабатываемой поверхности и режимы обработки зависят как от состава реакционной смеси, толщины слоя, так и от технических характеристик применяемого для воздействия лазерного устройства. Для обеспечения наиболее оптимальных условий обработки способ допускает применение порошкообразных компонентов реакционной смеси фракцией, не превышающий 1 мм, поскольку использование более крупных составляющих реакционной смеси не позволит получить качественный и однородный слой на поверхности обрабатываемого изделия. С целью получения легированного слоя, сочетающего боридные составляющие с основным металлом, способ предусматривает проводить обработку без перекрытия зон точечного лазерного воздействия между собой, а интервал между ними может составлять до 2 диаметров пятна лазерного облучения. Для образования в легированном слое преимущественно боридных составляющих способ допускает обрабатывать поверхность с перекрытием зон точечного лазерного воздействия между собой, при этом область контакта должна составлять не менее 5% от площади пятна лазерного облучения, поскольку меньшая область контакта не приведет к полной обработке поверхности.The prepared reaction mixture is applied to the surface of products made of iron-carbon alloys, followed by exposure of this area to laser radiation. Depending on the shape and geometry of the parts, the method involves applying the reaction mixture both in the form of powders and using an adhesive binder. In the case of processing parts in a horizontal plane, the method allows the application of the reaction mixture to the surface in the form of powders without a binder. The thickness of the layer of the powder mixture can be varied both by the dispersion of the mixture components and by using special available devices (conductors in the form of plates with a slot of the required height, etc.). For better fixation of the reaction mixture, especially with a complex surface topography of the workpiece, the method allows the use of an adhesive binder - the introduction of a binder to the initial reaction mixture and its subsequent application to the surface in the form of paint or paste, or the application of an adhesive binder to the surface of the workpiece with subsequent sprinkling of the above area powdery reaction mixture. After applying the reaction mixture to the surface of the product, laser treatment is carried out. Depending on the required technical result, the method allows for treatment either with a single exposure to laser radiation at a point on the surface, or multiple times. The choice of the number of pulses per point on the surface being treated and the processing modes depend both on the composition of the reaction mixture, the thickness of the layer, and on the technical characteristics of the laser device used for the impact. To ensure the most optimal processing conditions, the method allows the use of powdered components of the reaction mixture in a fraction not exceeding 1 mm, since the use of larger components of the reaction mixture will not allow obtaining a high-quality and uniform layer on the surface of the processed product. In order to obtain an alloyed layer combining boride components with the base metal, the method provides for processing without overlapping the zones of point laser irradiation with each other, and the interval between them can be up to 2 diameters of the laser irradiation spot. To form predominantly boride components in the doped layer, the method allows for surface treatment with overlapping point laser irradiation zones, and the contact area must be at least 5% of the laser irradiation spot area, since a smaller contact area will not lead to complete surface treatment.
Лазерное воздействие на поверхность обрабатываемого изделия из железоуглеродистых сплавов с нанесенным слоем реакционной смеси вызывает локальный нагрев вследствие как высокой энергии излучения, так и в силу протекания процессов образования боридных составляющих, что приводит к окислению поверхности. Для подавления процесса окисления поверхности обрабатываемого изделия способ допускает подачу к зоне обработки инертных газов в виде аргона или гелия. Для более простой технической реализации подачу инертных газов способ предусматривает проводить методом обдува обрабатываемой зоны без использования специальных камер.Laser exposure to the surface of a workpiece made of iron-carbon alloys with an applied layer of the reaction mixture causes local heating due to both the high radiation energy and the formation of boride components, which leads to oxidation of the surface. To suppress the process of oxidation of the surface of the workpiece, the method allows the supply of inert gases in the form of argon or helium to the processing zone. For a simpler technical implementation, the method provides for the supply of inert gases by blowing the treated area without the use of special chambers.
После нанесения реакционной легирующей смеси проводят обработку поверхности изделий из железоуглеродистых сплавов лазерным воздействием. В зависимости от технического оснащения в качестве источника лазерного излучения могут быть использованы как газовые, так и твердотельные лазерные установки. Для автоматизации процесса легирования поверхности могут быть использованы приспособления перемещения обрабатываемого изделия или источника лазерного излучения при помощи координатных станков.After applying the reaction alloying mixture, the surface of products made of iron-carbon alloys is treated with laser action. Depending on the technical equipment, both gas and solid-state laser systems can be used as a source of laser radiation. To automate the surface alloying process, devices for moving the workpiece or laser radiation source using coordinate machines can be used.
Для практической реализации предлагаемого способа в качестве источника лазерного излучения применяли лазер импульсный сварочный ЛИС 25/2 со следующими основными характеристиками: длина волны лазерного излучения 1,06 мкм; максимальная энергия импульса, не менее 30 Дж; максимальная средняя мощность, не менее 75 Вт; частота повторения импульсов от 1 до 30 Гц; длительность импульсов от 0,1 до 20 мс; диапазон регулирования энергии импульса от 11 до 800 Дж; диаметр светового пятна от 0,25 до 2,0 мм.For the practical implementation of the proposed method, a pulsed welding laser LIS 25/2 with the following main characteristics was used as a source of laser radiation: laser radiation wavelength 1.06 μm; maximum pulse energy, not less than 30 J; maximum average power, not less than 75 W; pulse repetition frequency from 1 to 30 Hz; pulse duration from 0.1 to 20 ms; pulse energy control range from 11 to 800 J; light spot diameter from 0.25 to 2.0 mm.
Примеры конкретного исполненияExamples of specific execution
Пример 1. В качестве легирующей реакционной смеси использовали смесь титана и ферробора ФБ17 (17% бора) при отношении массы титана к массе бора, равное 2,2 (на 1 г титана добавляли 2,7 г ферробора с содержанием бора 17% масс). В качестве образца использовали пластину из стали 45. Образец помещали на рабочий столик трехкоординатного станка, наносили порошкообразную смесь слоем, толщиной до 0,2 мм и проводили обработку лазерным воздействием с помощью установки ЛИС 25/2. Режим обработки и скорость перемещения образца выбирали из предварительных экспериментов, что позволило получить на обрабатываемой поверхности стали бориды титана (TiB2, Ti3B4) и железа (Fe2B). Обработку проводили на воздухе, вследствие чего легированный слой также содержал оксиды титана (TiO2) и железа (Fe2O3).Example 1. A mixture of titanium and ferroboron FB17 (17% boron) was used as an alloying reaction mixture with a titanium to boron weight ratio of 2.2 (2.7 g of ferroboron with a boron content of 17 wt% was added per 1 g of titanium). A plate made of steel 45 was used as a sample. The sample was placed on the work table of a three-axis machine, the powder mixture was applied in a layer up to 0.2 mm thick, and laser treatment was carried out using a LIS 25/2 installation. The processing mode and sample movement speed were selected from preliminary experiments, which made it possible to obtain titanium borides (TiB 2 , Ti 3 B 4 ) and iron (Fe 2 B) on the treated steel surface. The treatment was carried out in air, as a result of which the alloyed layer also contained titanium (TiO 2 ) and iron oxides (Fe 2 O 3 ).
Пример 2. То же, что в примере 1, только в качестве реакционной смеси использовали смесь ферротитана с содержанием титана 70% и аморфного бора при отношении массы титана к массе бора, равное 2,1 (на 3 г ферротитана добавляли 1 г аморфного бора). После обработки легированный слой содержал бориды титана (TiB, TiB2), железа (Fe2B) и оксиды титана (TiO2) и железа (Fe2O3).Example 2. The same as in example 1, only as a reaction mixture we used a mixture of ferrotitanium with a titanium content of 70% and amorphous boron with a titanium to boron weight ratio of 2.1 (1 g of amorphous boron was added per 3 g of ferrotitanium) . After processing, the alloyed layer contained borides of titanium (TiB, TiB 2 ), iron (Fe 2 B) and oxides of titanium (TiO 2 ) and iron (Fe 2 O 3 ).
Пример 3. То же, что в примере 2, только в качестве реакционной смеси использовали смесь ферротитана (70% Ti) и кристаллического бора при отношении массы титана к массе бора, равное 3,5 (на 2,5 г ферротитана добавляли 0,5 г кристаллического бора). После обработки легированный слой содержал бориды титана (TiB, TiB2), железа (Fe2B), их оксиды и интерметаллиды системы Fe-Ti вследствие избыточного содержания от стехиометрии реакции образования борида TiB2 титансодержащего материала в реакционной смеси.Example 3. The same as in example 2, only a mixture of ferrotitanium (70% Ti) and crystalline boron was used as a reaction mixture with a titanium to boron weight ratio of 3.5 (0.5 was added per 2.5 g of ferrotitanium g crystalline boron). After treatment, the alloyed layer contained titanium borides (TiB, TiB 2 ), iron (Fe 2 B), their oxides and intermetallic compounds of the Fe-Ti system due to the excess content of titanium-containing material in the reaction mixture depending on the stoichiometry of the TiB 2 boride formation reaction.
Пример 4. В качестве легирующей реакционной смеси использовали смесь ферротитана с содержанием титана 70% и аморфного бора при отношении массы титана к массе бора, равное 1,6 (на 3,5 г ферротитана добавляли 1,5 г аморфного бора). В качестве образца для нанесения покрытия применяли сталь 40X13. На поверхность образца наносили клеевое связующее на основе клея БФ с последующей обсыпкой данной области порошкообразной легирующей смесью до получения толщины слоя 0,1-0,15 мм. Для предотвращения окисления легированного слоя в процессе лазерной обработки в зону воздействия подавали аргон методом обдува. Легированный слой, сформированный при лазерном воздействии, содержал боридные составляющие титана в виде (TiB, TiB2, Ti3B4) и железа (Fe2B).Example 4. As an alloying reaction mixture, we used a mixture of ferrotitanium with a titanium content of 70% and amorphous boron with a titanium to boron weight ratio of 1.6 (1.5 g of amorphous boron was added per 3.5 g of ferrotitanium). 40X13 steel was used as a sample for coating. An adhesive binder based on BF glue was applied to the surface of the sample, followed by sprinkling the area with a powdered alloying mixture until a layer thickness of 0.1-0.15 mm was obtained. To prevent oxidation of the doped layer during laser processing, argon was supplied to the impact zone using the blowing method. The alloyed layer formed under laser irradiation contained titanium boride components in the form of (TiB, TiB 2 , Ti 3 B 4 ) and iron (Fe 2 B).
Пример 5. В качестве легирующей реакционной смеси использовали смесь ферротитана с содержанием титана 70% и аморфного бора при отношении массы титана к массе бора, равное 1,6 (на 3,5 г ферротитана добавляли 1,5 г аморфного бора). Для формирования наряду с боридами, также и карбидных составляющих к вышеупомянутой смеси добавляли порошкообразный углеродистый феррохром ФХ800 (65% хрома, 8% углерода) в количестве около 20% масс, от смеси ферротитана и бора. В качестве образца для нанесения покрытия применяли серый чугун СЧ15. Легирующее покрытие наносили на поверхность чугуна в виде пасты (смесь порошкообразных компонентов с клеевым связующим) с толщиной слоя 0,15-0,2 мм. В процессе обработки поверхности лазерным лучом в зону воздействия методом обдува подавали аргон. Легированный слой, полученный после обработки, содержал наряду с боридами титана (TiB, TiB2) и железа (Fe2B) также карбиды титана (TiC) и хрома ((Cr, Fe)7С3 (Cr, Fe)23С6).Example 5. As an alloying reaction mixture, we used a mixture of ferrotitanium with a titanium content of 70% and amorphous boron with a titanium to boron mass ratio of 1.6 (1.5 g of amorphous boron was added per 3.5 g of ferrotitanium). To form, along with borides, also carbide components, powdered carbon ferrochrome FKh800 (65% chromium, 8% carbon) was added to the above mixture in an amount of about 20% by weight, from a mixture of ferrotitanium and boron. Gray cast iron SCh15 was used as a sample for coating. The alloying coating was applied to the surface of cast iron in the form of a paste (a mixture of powdered components with an adhesive binder) with a layer thickness of 0.15-0.2 mm. During surface treatment with a laser beam, argon was supplied to the impact zone using the blowing method. The alloyed layer obtained after processing contained, along with borides of titanium (TiB, TiB 2 ) and iron (Fe 2 B), also titanium carbides (TiC) and chromium ((Cr, Fe) 7 C 3 (Cr, Fe) 23 C 6 ).
Результаты экспериментов показывают, что предлагаемый способ является практически применимым и позволяет формировать при лазерной обработке в легированном слое на поверхности изделий из железоуглеродистых сплавов боридные составляющие титана.The experimental results show that the proposed method is practically applicable and allows the formation of boride components of titanium during laser processing in an alloyed layer on the surface of products made of iron-carbon alloys.
Claims (8)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2819007C1 true RU2819007C1 (en) | 2024-05-08 |
Family
ID=
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2425907C2 (en) * | 2009-04-28 | 2011-08-10 | Учреждение Российской Академии Наук Сибирское Отделение Ран Институт Лазерной Физики | Procedure for modification of metal surfaces and device |
| CN102226279A (en) * | 2011-06-13 | 2011-10-26 | 山东电力研究院 | Method for preparing titanium diboride and titanium carbide enhanced iron-based wear resistant composite paint |
| CN102912240B (en) * | 2012-10-25 | 2014-05-07 | 北京工业大学 | Method for preparing high-boron wear resisting alloy through laser cladding |
| CN103290406B (en) * | 2013-06-04 | 2015-06-03 | 北京工业大学 | Laser cladding in-situ synthesis ceramic phase reinforced Fe-base cladding layer and preparation method thereof |
| RU2602217C2 (en) * | 2014-11-05 | 2016-11-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Байкальский институт природопользования Сибирского отделения Российской академии наук (ФГБУН БИП СО РАН) | Method for boriding parts from iron-carbon alloys |
| RU2612476C1 (en) * | 2015-10-19 | 2017-03-09 | Общество с ограниченной ответственностью "Инновационные технологии" | Casts surface alloying method for iron-carbon alloys |
| RU2791477C1 (en) * | 2022-04-29 | 2023-03-09 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | Method for borating surface layers of carbon steel |
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2425907C2 (en) * | 2009-04-28 | 2011-08-10 | Учреждение Российской Академии Наук Сибирское Отделение Ран Институт Лазерной Физики | Procedure for modification of metal surfaces and device |
| CN102226279A (en) * | 2011-06-13 | 2011-10-26 | 山东电力研究院 | Method for preparing titanium diboride and titanium carbide enhanced iron-based wear resistant composite paint |
| CN102912240B (en) * | 2012-10-25 | 2014-05-07 | 北京工业大学 | Method for preparing high-boron wear resisting alloy through laser cladding |
| CN103290406B (en) * | 2013-06-04 | 2015-06-03 | 北京工业大学 | Laser cladding in-situ synthesis ceramic phase reinforced Fe-base cladding layer and preparation method thereof |
| RU2602217C2 (en) * | 2014-11-05 | 2016-11-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Байкальский институт природопользования Сибирского отделения Российской академии наук (ФГБУН БИП СО РАН) | Method for boriding parts from iron-carbon alloys |
| RU2612476C1 (en) * | 2015-10-19 | 2017-03-09 | Общество с ограниченной ответственностью "Инновационные технологии" | Casts surface alloying method for iron-carbon alloys |
| RU2791477C1 (en) * | 2022-04-29 | 2023-03-09 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | Method for borating surface layers of carbon steel |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US12116652B2 (en) | Additive manufacturing of metal alloys and metal alloy matrix composites | |
| US5294462A (en) | Electric arc spray coating with cored wire | |
| US4818307A (en) | Dispersion strengthened copper-base alloy | |
| US9108276B2 (en) | Hardface coating systems and methods for metal alloys and other materials for wear and corrosion resistant applications | |
| US9982332B2 (en) | Hardface coating systems and methods for metal alloys and other materials for wear and corrosion resistant applications | |
| US20200392607A1 (en) | Carbide material for cutting devices and associated method of manufacture | |
| US6245162B1 (en) | Boriding agent | |
| DE4102495C2 (en) | ||
| RU2819007C1 (en) | Method of forming boride components of titanium on surface of articles from iron-carbon alloys during laser processing | |
| RU2819010C1 (en) | Method of alloying surface of articles made from titanium or alloys on its basis with formation of boride components of chromium and titanium by laser processing | |
| RU2819042C1 (en) | Method of forming titanium borides in alloyed layer during laser treatment of surface of articles made from titanium or alloys based thereon | |
| RU2180018C1 (en) | Method of preparing powdered mix for thermodiffusion zinc-plating | |
| Badini et al. | Laser boronizing of some titanium alloys | |
| RU2205094C2 (en) | Method for electron-beam surfacing | |
| WO2014105239A1 (en) | Hardface coating systems and methods for metal alloys and other materials for wear and corrosion resistant applications | |
| JPH11507993A (en) | Method for producing a wear-resistant boride layer on a metal material surface | |
| RU2691431C1 (en) | Boron-aluminizing method of steel surface | |
| RU2693988C1 (en) | Method for surfacing iron aluminide on steel surface | |
| RU2164265C1 (en) | Method for producing titanium alloy base protective coatings | |
| EP0494977B1 (en) | Method of modifying the surface of a substrate | |
| RU2826362C1 (en) | Method of producing wear-resistant coating | |
| RU2752403C1 (en) | Method for producing durable composite coating on metal parts | |
| Tjong | Performance of laser-consolidated plasma-spray coatings on Fe-28Mn-7A1-1C alloy | |
| EP0212435A2 (en) | A process for preparing hard, wear and/or corrosion resistant metallic alloys, as well as metallic alloys produced thereby | |
| SU668973A1 (en) | Method of obtaining diffusion coating of iron and steel articles |