СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ Российский патент 2001 года по МПК C23C14/40 B23H1/02 B23H9/00 

Изобретение относится к области машиностроения и приборостроения и может быть использовано при нанесении износостойких, электроизоляционных и декоративных покрытий на детали из различных сплавов.

Известен способ упрочнения поверхностей деталей [А.С. СССР N 1775507 C 25 D 11/02, 1990] , который позволяет получать на поверхности деталей из алюминиевых сплавов износостойкий слой, состоящий в основном из оксида алюминия. Обрабатываемая деталь является анодом. Упрочненный слой образуется посредством микродуговых разрядов, горящих в кислородных пузырях, которые образуются на аноде. Для формирования покрытия используется щелочной электролит, состоящий из силиката щелочного металла и гидроксида щелочного металла. С целью уменьшения пористости покрытия в электролит добавляется моющая жидкость "Прогресс", которая обеспечивает вследствие своей пенообразующей способности большое количество газовых пузырей на поверхности детали.

Известен также способ микродугового оксидирования алюминия и его сплавов в силикатно-щелочном электролите при продувке электролита в межэлектродном зазоре углекислым газом или его смесью с кислородом [А.С. СССР N 1733507 C 25 D 11/02, 1992]. Этот способ также вследствие насыщения электролита газами, содержащими кислород, способствует образованию кислородных пузырей на поверхности детали, что приводит к интенсификации процесса микродугового оксидирования и к уменьшению пористости покрытия.

Однако использование силикатно-щелочного электролита в процессе микродугового оксидирования способствует образованию на поверхности детали пористого и рыхлого слоя муллита, который значительно ухудшает качество получаемой поверхности. Образующийся муллит необходимо удалять на последующих технологических операциях, что приводит к значительному увеличению себестоимости изделия.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ электроэрозионного упрочнения плазмы под действием искрового разряда [Коваленко B.С., Верхотуров А.Д., Головко Л.Ф., Подчерняева И.А. Лазерное и электроэрозионное упрочнение материалов. М.: Наука, 1986]. В этом способе упрочнения при контакте электродов возникает искровой разряд, переходящий в дуговой. Электрический разряд оказывает на металл анода и катода импульсное тепловое и механическое действия. Поток электронов приводит к локальному разогреву электрода, а поперечное магнитное поле создает высокое давление в плазменном шнуре разряда. В результате на поверхности электродов появляются объемные источники тепла, приводящие к возникновению эрозионных лунок на аноде и катоде, в области которых металл подвергается деформации, плавлению и испарению. В плазменной струе присутствуют элементы материалов анода и катода, но перенос материала преимущественно происходит с анода на катод. За счет такого переноса материала и импульсных нагрузок происходит легирование, перекристаллизация и механическое упрочнение материала катода. Процесс обычно происходит при напряжениях между электродами U≤ 300 B за счет контактного начала.

Недостатком этого способа является небольшая толщина покрытия, получаемого на поверхности детали, 10...70 нм. А также тенденция к отслаиванию формируемого слоя от подложки, так как формирование покрытия происходит в результате застывания на подложке легированного расплава.

Задача изобретения: повышение качества обработанной поверхности за счет формирования на поверхности деталей из любых упрочняемых технических сплавов модифицированного слоя, устранение электролита и повышение гибкости процесса.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в способе упрочнения поверхностей деталей, при котором детали обрабатывают в газовой среде, содержащей внедряемый элемент, посредством электрического искрового разряда, при этом обрабатываемая деталь является одним из электродов, в отличие от прототипа обработку производят с частотой 90-220 Гц и напряжением 12000-20000 В.

Соотношение частоты и длительности импульсов выбирают таким, чтобы не возникала дуговая стадия разряда. Благодаря искровому разряду ионы и атомы элементов газовой среды, находящиеся в плазме разряда, приобретают большую кинетическую энергию, которая и позволяет им внедряться в поверхность детали на большую глубину, составляющую несколько сот микрометров. Внедрение, в основном, происходит по дислокациям и межкристаллитным границам. В результате описанного процесса на поверхности детали формируется модифицированный слой, состоящий из соединения атомов внедряемых элементов с атомами заготовки. Толщина слоя составляет несколько сот микрометров и имеет высокую адгезию к подложке.

Пример конкретной реализации способа.

Предложенным способом упрочнения поверхностей деталей было обработано компрессионное поршневое кольцо для двигателя внутреннего сгорания.

Поршневое кольцо было изготовлено из алюминиевого сплава Д16Т. Обработке подвергалась наружная рабочая поверхность кольца и торцовые поверхности. Процесс осуществлялся в стеклянной рабочей камере объемом 1 л. В качестве катода использовался алюминиевый провод диаметром 2,2 мм. Расстояние между заготовкой-анодом и катодом фиксировалось при помощи концевых мер длины кл. 1 ГОСТ 9038-59 и составляло - 3 мм. Во время обработки подавалось напряжение 12000 - 20000 В с частотой искровых разрядов 75-1000 Гц. Продолжительность обработки за одну установку 3 часа. Площадь, которая формировалась за одну установку, составляла в среднем 3 мм².

В результате на поверхности детали сформировался слой толщиной 180 мкм и микротвердостью 5000 МПа. Микротвердость исходной заготовки составляла 680 МПа.

Итак, заявляемый способ упрочнения поверхностей позволяет получать качественные упрочненные слои на деталях любой конфигурации и из любых упрочняемых технических сплавов без использования электролита и не требуют защиты поверхностей, не подлежащих обработке.

Использование: изобретение относится к области машиностроения и приборостроения и может быть использовано при нанесении износостойких, электроизоляционных и декоративных покрытий на детали из различных сплавов. Для получения покрытия детали обрабатывают искровым разрядом в газообразной среде, содержащей внедряемый элемент. Во время обработки деталь является анодом. Обработку производят с частотой 90-220 Гц и напряжением 12000-20000 В. После обработки на данном режиме толщина слоя составляет несколько сот микрометров и имеет высокую адгезию к подложке. Способ позволяет получить качественные упрочненные слои на деталях любой конфигурации и из любых упрочняемых технических сплавов.

Способ упрочнения поверхностей деталей, при котором деталь, являющуюся одним из электродов, обрабатывают в газовой среде, содержащей внедряемый элемент, электрическим искровым разрядом, отличающийся тем, что обработку производят с частотой разрядов 90-220 Гц и при напряжении 12000-20000 В.