СПОСОБ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ Российский патент 1998 года по МПК C23C14/46 C23C14/58 

Изобретение относится к общему машиностроению, а более конкретно к способам обработки поверхности с предварительно нанесенным покрытием, и может быть использовано при обработке резьбовых поверхностей.

Известен способ упрочнения резьбового элемента путем нанесения на поверхность резьбы многослойного покрытия (авт.св. N 457822, кл. F 16 B 33/06, 1975). Однако, этот способ рекомендует использовать в качестве одного из слоев серебро, что значительно удорожает процесс обработки. Кроме того, твердость получаемой поверхности не велика, толщина покрытия незначительна, и при больших контактных напряжениях возможно схватывание при процессе сборка-разборка.

Известен способ, реализуемый при изготовлении резьбового соединения (авт.св. N 495455, кл. F 16 B 33/06, 1975).

Способ предполагает нанесение на одну из деталей антифрикционного покрытия, а на другую деталь покрытия из титана. Однако, титановое покрытие после нескольких циклов сборка-разборка приводит к повышению момента затяжки, величина коэффициента трения в резьбовой паре становится нестабильной за счет схватывания.

Известен способ обработки поверхности деталей, включающий нанесение многослойного покрытия из металла на поверхность изделия и последующую обработку высококонцентрированным источником энергии, что позволяет получить поверхность, обеспечивающую высокую износостойкость (заявка России N 94011058, кл. C 23 C 14/58, 20.05.96).

Недостатком этого способа является то, что в процессе обработки лучом высокой энергии осуществляется переплавление слоя покрытия. Такой способ не может быть применен при обработке резьбовых поверхностей, так как недопустим переплав резьбовой поверхности, приводящий к нарушению рельефа резьбы и подразумевающий последующую механическую доработку.

Цель изобретения - повышение твердости и износостойкости резьбовых поверхностей.

Поставленная задача решается тем, что в способе обработки поверхности, включающем нанесение покрытия на поверхность и обработку высококонцентрированным источником энергии, согласно изобретению, покрытие наносят в виде смеси пластичной составляющей и твердой составляющей из тугоплавкого соединения, при этом покрытие наносят таким образом, что пластичная составляющая имеет отрицательный градиент концентрации по толщине слоя от подложки к поверхности покрытия, а обработку проводят пучками докритических энергий без оплавления покрытия, до полного исчезновения пластичной составляющей в поверхностном слое, в качестве покрытия используют смесь металлического титана и нитрида титана, обработку проводят электронным лучом в вакууме.

Наличие отличительных от прототипа признаков позволяет сделать вывод о том, что заявляемый способ соответствует критерию "новизна".

В процессе поиска не выявлено технических решений, содержащих признаки, сходные с отличительными признаками заявляемого способа, что позволяет сделать вывод о соответствии его критерию "изобретательский уровень".

Причинно-следственная связь между техническим результатом и средством его достижения обусловлена тем, что под действием высокоэнергетического пучка разупрочненная в процессе нанесения покрытия подложка из стали упрочняется за счет термообработки. Одновременно происходит перевод пластичной составляющей покрытия из поверхностного слоя в твердое химическое соединение, что повышает прочностные характеристики покрытия и придает ему повышенные антифрикционные и износостойкие свойства. При этом процесс проводят, сохраняя рельеф поверхности, что позволяет использовать обработку для резьбовых поверхностей.

На фиг. 1 приведена схема реализации предлагаемого способа; на фиг.2 - узел I на фиг.1; на фиг.3 - микрошлиф.

Способ реализуют следующим образом.

На резьбовой элемент 1 наносят покрытие 2 на резьбовую часть 3.

Покрытие имеет пластичную составляющую - чистый металл и твердую составляющую - химическое соединение, например оксид или нитрид металла. В процессе нанесения покрытия создают отрицательный градиент концентрации пластичной составляющей по толщине слоя покрытия, т.е. слои покрытия, прилежащие непосредственно к подложке 4, имеют максимальную концентрацию пластичной составляющей, затем концентрация пластичной составляющей уменьшается до минимальных значений в поверхностном слое 5 покрытия 2. Нанесение покрытия с максимальной концентрацией пластичной составляющей в зоне, прилегающей к подложке 4, позволяет обеспечить высокую адгезию. Затем концентрация пластичной составляющей в покрытии уменьшается, при этом увеличивается доля твердого износостойкого химического соединения в покрытии.

Однако нанесение износостойкого покрытия является операцией термически активизируемой и сопровождается разупрочнением исходных структур подложки.

Последующая обработка поверхности подложки высококонцентрированным источником энергии, например, электронным лучом, позволила, с одной стороны, провести термическую обработку подложки и восстановить ее прочностные свойства, с другой стороны, воздействие на поверхность покрытия обеспечило перевод имеющейся в поверхностном слое пластичной составляющей в химическое соединение, обладающее высокой износостойкостью. Одновременно повышаются антифрикционные и противозадирные свойства поверхностного слоя, так как в нем нет пластичных элементов.

В институте в процессе отработки способа проводили обработку резьбового элемента из хромоникелевой стали. На поверхность резьбовой части наносили комбинированное покрытие, состоящее из металлического титана и нитрида титана. При этом слой покрытия, контактирующий непосредственно с подложкой из стали, состоял из металлического титана, затем состав покрытия обогащался нитридом титана, концентрация нитрида титана увеличивалась, а чистого титана - уменьшалась. В поверхностном слое металлическая составляющая имеет минимальное значение.

Покрытие ионно-плазменным методом осуществляли на установке "Булат" с нагревом до 500^oC при токе дуги 100 А и длительности процесса 30 мин. Градиент концентрации создавали изменением давления азота. Толщина покрытия составляла ≈ 10 мкм.

В процессе нанесения покрытия подложка из хромоникелевой стали подвергалась термической обработке (нагрев до 500^oC), которая приводила к снижению прочностных свойств поверхности подложки.

Затем резьбовой элемент с покрытием подвергали поверхностной электронно-лучевой обработке пучками докритических энергий (без оплавления поверхности покрытия). В процессе проведения обработки металлический титан из поверхностного слоя синтезировался в тугоплавкие химические соединения: оксиды, карбиды, нитриды. Прочность и износостойкость покрытия повышалась, кроме того, повышалась прочность поверхности подложки за счет ее термообработки. Антифрикционные и противозадирные свойства поверхности повышались за счет исключения пластичной составляющей. Электронно-лучевая обработка осуществлялась при ускоряющем напряжении 60 кВ, мощности луча 6 кВт и полной энергии развернутого луча 200 кДж/м.

На микрошлифе (до обработки) область поверхности подложки имеет твердость 300-330 HV, а в поверхности покрытия есть частицы пластичной составляющей чистого титана. После обработки высококонцентрированным источником энергии твердость подложки 1 составила 610 HV, а в поверхности покрытия 2 отсутствуют частицы чистого титана (см. фиг.2).

Результаты испытаний образцов из хромоникелевой стали 25Х17Н2Б-Ш, изготовленных по заявляемому способу, показали увеличение износостойкости по сравнению с износостойкостью стали с покрытием примерно в 20 раз (с 22,0 до 1 мГ/мин), в то же время, образцы из стали с покрытием по сравнению со сталью без покрытия обеспечивают снижение интенсивности изнашивания не менее чем в 5 раз (с 1,73 до 0,29-0,33 г/см²•мин). Таким образом, комплексная обработка поверхности по сравнению с состоянием поставки повышает износостойкость ≈ на 2 порядка.

Кроме того, испытания на трение в резьбовых соединениях показали, что поверхность резьбового элемента, обработанная в соответствии с заявляемым способом, обеспечивает снижение коэффициента трения на 80% при циклических испытаниях сборка-разборка по сравнению с парой из закаливающейся стали без покрытия и повышение стабильности коэффициента трения от первого до десятого цикла затяжки не менее, чем в 3 раза.

Изобретение предназначено для упрочнения резьбовых поверхностей и трущихся поверхностей. Способ обработки поверхности включает нанесение покрытия из тугоплавких соединений и обработку покрытия высококонцентрированным источником энергии, пучками докритических энергий до исключения пластичной составляющей в поверхностной зоне слоя покрытия. 2 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ обработки поверхности, включающий нанесение покрытий на поверхность и обработку покрытия высококонцентрированным источником энергии, отличающийся тем, что покрытие наносят в виде смеси пластичной составляющей и твердой составляющей из тугоплавкого соединения, при этом покрытие наносят так, что пластичная составляющая имеет отрицательный градиент концентрации по толщине слоя от подложки к поверхности покрытия, а обработку проводят пучками докритических энергий без оплавления покрытия до полного исчезновения пластичной составляющей в поверхностном слое. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве покрытия используют смесь металлического титана и нитрида титана. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку проводят электронным лучом.