СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ НА СТАЛЬНЫЕ ИЗДЕЛИЯ Российский патент 1998 года по МПК C23C18/54 C23C26/00 

Изобретение относится к машино- и приборостроению и может быть использовано при финишной обработке деталей ответственного назначения.

Известен способ нанесения твердосмазочных покрытий (авт. св. N 834247, БИ N 20, 1981), преимущественно дисульфида молибдена на поверхности трения, включающий нанесение подслоя меди натиранием в среде глицерина с последующим нанесением слоя галлия.

Недостатком способа является сложность технологии, включающей получение подслоя меди путем обработки поверхности трением образцом из бронзы БР АЖ-9-4, и малая производительность, особенно для крупногабаритных изделий.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ нанесения медьсодержащего покрытия (патент СССР N 1838447, БИ N 32, 1993) из раствора смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) на предварительно механически обработанную поверхность с последующим поверхностно-пластическим ее деформированием (ППД). При этом осаждение меди происходит контактным методом из раствора СОЖ: вытеснение ионов меди из раствора металлом основы - стали, который осуществляется без энергетических затрат простым нанесением раствора на обрабатываемую поверхность.

Однако практическое применение данного способа обработки показало, что износостойкость обрабатываемых методами ППД поверхностей зависит от адгезии контактно осажденной меди к стальной основе и ее трещины. С ростом толщины покрытия адгезия уменьшается, что не всегда обеспечивает возможность управлять процессом осаждения меди и вызывает повышенный износ индентора и снижение работоспособности деталей.

Поставленная задача - повысить износостойкость и противозадирную стойкость стальных изделий.

Поставленная задача решается тем, что на рабочие поверхности машин и приборов, после их предварительной ППД, наносят медьсодержащее покрытие из раствора СОЖ и одновременно осуществляют ППД покрытия, согласно изобретению используют СОЖ, дополнительно содержащую композиции высокодисперсных металлов при следующем соотношении компонентов СОЖ, мас.%:
Хлорид меди - 4 - 10
Коллоидный графит - 2 - 15
Ацетамид - 5 - 10
Мочевина - 0,5 - 1,0
Стеариновая кислота - 0,5 - 1,0
Вода - 5 - 25
Композиции высокодисперсных металлов - 2,0 - 6,0
Глицерин - Остальное
В качестве композиций высокодисперсных металлов могут быть использованы цинк и никель или медь и цинк, или никель и медь, их мас.% приведены в табл. 1.

Композиции высокодисперсных металлов, введенные в раствор СОЖ, обеспечивают:
1. Равномерное осаждение покрытия и способствуют выравниванию микрорельефа контактной поверхности.

2. Образуют устойчивые смеси в СОЖ, в которых находятся во взвешенном состоянии и химически не взаимодействуют с основными компонентами СОЖ.

3. Возможность подбора этих композиций на основе диаграмм состояния и теории сплавов.

4. Получение новых покрытий с заданными свойствами, не имеющими аналога в массивных кристаллах.

Как показали экспериментальные данные, использование СОЖ с введенными в ее состав композициями высокодисперсных металлов для получения новых покрытий, привели к неожиданному эффекту, а именно, к резкому увеличению износостойкости и противозадирной стойкости обрабатываемых поверхностей трения.

Примеры осуществления способа (табл. 1):
Пример 1. Смазочно-охлаждающая жидкость, содержащая, мас.%:
Хлорид меди - 8
Коллоидный графит - 10
Ацетамид - 10
Мочевина - 1,0
Стеариновая кислота - 1,0
Вода - 10
Композиции высокодисперсных металлов:
Меди - 3,0
Никеля - 3,0
Глицерин - Остальное
подается на предварительно упрочненную поверхность стали 40Х. При этом из раствора СОЖ на стали контактным способом осаждается медьсодержащее покрытие. При последующей обкатке поверхности детали деформирующим инструментом (роликом, шариком, металлической щеткой и т.д.) происходит трибомеханохимическое взаимодействие подслоя меди с высокодисперсными металлами с образованием нового покрытия, обладающего комплексом повышенных износо- и противозадирных свойств.

Экономическое обоснование эффективности предлагаемого способа нанесения покрытия подтверждается низкой стоимостью компонентов раствора СОЖ и растворов для получения высокодисперсных меди и никеля.

Высокодисперсная медь представляет собой порошок с дисперсностью 0,5-4,0 мкм. Получить ее можно, например, из раствора, содержащего сульфат меди, тартрат калия и натрия в качестве комплексообразователя и формалина - восстановителя.

Высокодисперсный никель представляет собой порошок с дисперсностью 0,05-2,0 мкм. Получить его можно, например, из щелочного раствора с pH 13-14, содержащего хлорид никеля и гидразин гидрат в качестве восстановителя.

Предлагаемый раствор СОЖ готовится следующим образом: необходимое количество хлорида меди растворяют в соответствующем количестве воды. Полученный раствор нагревают до 60-80^oC и в него вводят при перемешивании рассчитанное количество коллоидного графита, ацетамида, мочевины, стеариновой кислоты, высокодисперсных меди и никеля, а также глицерина.

Содержание в СОЖ высокодисперсных меди и никеля свыше 6 мас.% вызывает загущение раствора, а меньше 2 мас.% - не обеспечивает проявлению положительных качеств СОЖ.

Пример 2. Смазочно-охлаждающая жидкость, содержащая, мас.%:
Хлорид меди - 8
Коллоидный графит - 10
Ацетамид - 10
Мочевина - 1,0
Стеариновая кислота - 1,0
Вода - 10
Композиции высокодисперсных металлов:
Никеля - 4,0
Цинка - 4,0
Глицерин - Остальное
Остальное как в примере 1. Но высокодисперсный цинк представляет собой порошок с дисперсностью 0,5-4,0 мкм. Получить его можно, например, из пирофосфатного раствора с pH 10-11 восстановлением при помощи гидразин-гидрата при комнатной температуре. Содержание в СОЖ высокодисперсных никеля и цинка свыше 6 мас.% вызывает загущение раствора, а меньше 3 мас.% - не обеспечивает проявления положительных качеств СОЖ.

Пример 3. Смазочно-охлаждающая жидкость, содержащая, мас.%:
Хлорид меди - 8
Коллоидный графит - 10
Ацетамид - 10
Мочевина - 1,0
Стеариновая кислота - 1,0
Вода - 10
Композиции высокодисперсных металлов:
Меди - 4,5
Цинка - 4,5
Глицерин - Остальное
Остальное, как в примере 1 и 2.

Содержание в СОЖ высокодисперсных металлов меди и цинка свыше 5,0 мас.% вызывает загущение раствора, а меньше 2 мас.% - не обеспечивает проявления положительных качеств СОЖ.

Пример 4. Смазочно-охлаждающая жидкость, содержащая. мас.%:
Хлорид меди - 8
Коллоидный графит - 10
Ацетамид - 10
Мочевина - 1,0
Стеариновая кислота - 1,0
Вода - 10
Композиции высокодисперсных металлов:
Меди - 1,0
Никеля - 6,5
Глицерин - Остальное
Остальное, как в примере 1.

Эффективность способа нанесения новых покрытий оценивалась на основе сравнительных испытаний на износостойкость и противозадирную стойкость по методике ускоренных испытаний.

Износостойкость определялась на машине трения при возвратно-поступательном движении. Исследования проводились при статических нагрузках: удельное давление составляло 26,5 МПа, при нормальной нагрузке 500Н и числе двойных ходов - 1400 в мин. В зоне трения реализовывалось условие граничной смазки. Образцы с покрытием устанавливались неподвижно, а контр-образец совершал возвратно-поступательное движение.

Износ образцов определялся профилографированием поверхности трения по стандартной методике в определенные промежутки времени.

Противозадирная стойкость определялась на торцевом трибометре по стандартной методике в условиях граничного трения: удельное давление составляло 7,4 МПа, скорость вращения - 7,9 м/мин.

Результаты испытаний приведены в табл. 2 и на фиг. 1 и 2, а составы СОЖ в табл. 1.

В качестве медьсодержащей СОЖ взята СОЖ с антифрикционным наполнителем состава, мас.%:
Хлорид меди - 2 - 15
Коллоидный графит - 5 - 10
Ацетамид - 5 - 10
Мочевина - 0,5 - 1,0
Стеариновая кислота - 0,5 - 1,0
Вода - 5 - 25
Глицерин - Остальное
При содержании композиций высокодисперсных металлов, выходящих за пределы вышеуказанных составов (табл. 1), не приводят к получению достигаемого результата.

Результаты испытаний показали, что составы СОЖ (примеры 1 - 3), повышают износостойкость обрабатываемых поверхностей трения на 20% по сравнению с прототипом (фиг. 1), увеличивают противозадирную стойкость более чем в 2,5 раза, при этом работоспособность новых покрытий сохраняется более 200 мин. до начала задира (табл. 2 и фиг. 2).

Изобретение может быть использовано в машино- и приборостроении. После предварительной пластической деформации поверхности в зону контакта с обрабатывающим инструментом подают медьсодержащую смазочно-охлаждающую жидкость (СОЖ). Осаждение меди на рабочую поверхность происходит контактным методом из СОЖ и одновременно осуществляют ППД покрытия. Согласно изобретению применяют СОЖ дополнительно содержащую композиции высокодисперсных металлов, которые при ППД взаимодействуют с медьсодержащим подслоем с образованием новых покрытий, обладающих низким коэффициентом трения. В качестве композиции высокодисперсных металлов могут быть использованы медь и никель, или никель и цинк, или медь и цинк. 3 з.п.ф-лы, 2 табл., 2 ил.

1. Способ нанесения защитных покрытий на стальные изделия, включающий поверхностную пластическую деформацию и подачу порошка в зону контакта поверхности изделия с обрабатывающим инструментом медьсодержащего раствора смазочно-охлаждающей жидкости с одновременной поверхностно-пластической деформацией покрытия, отличающийся тем, что медьсодержащий раствор смазочно-охлаждающей жидкости дополнительно содержит композицию высокодисперсных металлов при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Композиция высокодисперсных металлов - 2,0 - 6,0
Хлорид меди - 4 - 10
Коллоидный графит - 2 - 15
Ацетамид - 5 - 10
Мочевина - 0,5 - 1,0
Стеариновая кислота - 0,5 - 1,0
Вода - 5 - 25
Глицерин - Остальное
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве композиции высокодисперсных металлов используют медь и никель в соотношении 1 : 1. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве композиции высокодисперсных металлов используют никель и цинк в соотношении 1 : 1. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве композиции высокодисперсных металлов используют медь и цинк в соотношении 1 : 1.