СПОСОБ ОБРАБОТКИ СТАЛЬНЫХ И ЧУГУННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 2002 года по МПК C23C24/02 

Изобретение относится к области металлообработки, касается методов повышения износостойкости различных деталей машин путем фрикционно-механического нанесения антифрикционного плакирующего покрытия и последующей электромеханической обработки.

Известны способы обработки рабочих поверхностей изделий: гильз цилиндров, шеек коленчатых валов, осей и др. (Повышение износостойкости на основе избирательного переноса. /Под ред. Д. Н. Гаркунова - М.: Машиностроение, 1977.-215 с.; Гаркунов Д.Н. Триботехника. - М.: Машиностроение, 1989.-328 с. ) путем фрикционно-механического нанесения на них тонкого слоя материала, имеющего повышенные противозадирные свойства и способствующего повышению износостойкости изделия.

Недостатками этого способа являются необходимость (как правило) предварительной химико-термической упрочняющей обработки поверхностей; длительность, сложность процесса и большие затраты энергии и компонентов; отсутствие требуемого микрорельефа и недостаточная износостойкость поверхности.

Известны способы обработки поверхностей (а.с. 91691, СССР; Аскинази Б.М. Упрочнение и восстановление деталей электромеханической обработкой. - Л.: Машиностроение, 1989. -184 с.) посредством электромеханического их упрочнения. В процессе обработки этим способом через место контакта инструмента с изделием проходит ток большой силы и низкого напряжения, вследствие чего выступающие гребешки поверхности изделия подвергаются сильному нагреву, под давлением инструмента деформируются и сглаживаются, а поверхностный слой металла упрочняется. Этот способ существенно изменяет физико-механические свойства поверхностного слоя и позволяет повысить износостойкость, а также другие эксплутационные характеристики изделия.

Однако данный способ не обеспечивает высокие противозадирные и антифрикционные свойства поверхностного слоя, не исключает схватывания рабочих поверхностей.

Известен способ фрикционной обработки стальных изделий (патент 2008366, кл. С 23 С 26/ 00, РФ - принят за прототип), заключающийся в том, что натирание поверхности латунным прутком осуществляют поступательным перемещением прутка под углом к поверхности со скоростью 1,0-1,5 м/с под давлением 20-30 кгс/мм с одновременным наложением ультразвуковых колебаний с частотой 18-20 кГц и амплитудой 50-70 мкм.

Такой способ повышает качество обработанной поверхности, его производительность. Однако данный способ отличается сложностью, необходимостью применения специального оборудования; не происходит изменения структуры поверхностного слоя, поэтому повышение износостойкости происходит лишь частично за счет повышения антифрикционных свойств поверхности, обработанной присадочным материалом.

Достигаемый технический результат по заявленному изобретению - повышение износостойкости обработанной поверхности изделия путем образования направленного микрорельефа, увеличения прочности сцепления легирующего (присадочного) и основного материалов при одновременном упрочнении поверхностного слоя металла изделия.

Указанный технический результат достигается за счет того, что натирание поверхности изделия осуществляют инструментом до слоя толщиной 9 мкм, после чего проводят упрочняющую обработку путем сглаживания поверхности твердосплавным инструментом со скоростью 0,1-0,2 м/с при давлении 10 МПа и плотности тока 110-150 А/мм², причем инструменты и изделие образуют общую рабочую электрическую цепь, а изделия представляют собой тела вращения, натирание которых проводят инструментом из латуни или бронзы.

На фиг. 1 схематично представлена исходная поверхность (шероховатость поверхности после ее обработки резанием); на фиг. 2 - микрорельеф той же поверхности после натирания легирующим материалом; на фиг. 3 - поверхность с легирующим материалом после электромеханического сглаживания.

Способ осуществляется следующим образом. На исходную поверхность (фиг.1) с заданной шероховатостью Ra при ее контакте с инструментом, выполненным на основе меди и являющимся одновременно проводником электрического тока, переносится тончайший слой материала инструмента (пленка до 0,01 мм) за счет механического трения и одновременного подвода электрического тока к изделию. Получается поверхность (фиг. 2), состоящая из основного металла 1 и легирующего элемента 2, частицы которого располагаются во впадинах исходного профиля, образуя незначительные пустоты между основным и присадочным материалами (на чертеже не обозначены).

При последующей электромеханической обработке поверхности твердосплавным инструментом в месте контакта с деталью происходит местный нагрев поверхности контакта выше температуры фазового превращения, что приводит к разрушению окисных пленок, смятию микронеровностей с одновременным плотным заполнением полостей, устьев микротрещин и углублений присадочным материалом - его "завальцовыванию" (фиг. 3).

Предлагаемая комплексная фрикционно-электромеханическая обработка обеспечивает дополнительную активацию процесса нанесения покрытия за счет срабатывания термического канала (интенсивный нагрев локальных участков поверхности) и механического канала (разрушение окисных пленок, улучшение сцепления наносимого слоя с поверхностью). Кроме того, поверхностный слой детали упрочняется до 8000 МПа на глубину до 0,1 мм, снижается шероховатость поверхности, появляются остаточные напряжения сжатия. В результате на поверхности изделия обеспечивается положительный градиент свойств, позволяющих значительно повысить износостойкость рабочих поверхностей трения.

Например, образцы, подвергнутые обработке по предложенному способу, оценивали лабораторными методами на машине трения СМТ-1 по схеме "ролик - колодка". Ролики и колодки изготавливали из стали 45, шероховатость поверхности оценивали профилометром-профилографом ВЭИ-201 завода "Калибр". Равномерность покрытия оценивали визуально, используя лупу двухкратного увеличения. Испытания образцов с покрытиями проводили при постоянной нагрузке 980 Н и частоте вращения ролика 50 об/мин. Противозадирные свойства оценивали по изменению коэффициента трения в зависимости от пути трения, который замеряли и непрерывно регистрировали на ленте потенциометра КСП-4.

Таким образом, на образцах, обработанных по предлагаемому способу, создается характерный модифицированный микрорельеф поверхности - композиция определенной микрогеометрии слоев с высокой микротвердостью и участками с нанесенным покрытием, что снижает более чем в 2 раза коэффициент трения, создаются условия для удержания смазки в сопряжении (увеличение маслоемкости), значительно повышается износостойкость и увеличивается нагрузка до заедания.

Изобретение может быть использовано в области металлообработки для повышения износостойкости различных деталей машин, преимущественно тел вращения, путем фрикционно-механического нанесения антифрикционного плакирующего покрытия и последующего электромеханического сглаживания. Одновременно друг за другом сначала осуществляют натирание рабочей поверхности изделия одним инструментом, изготовленным из меди или его сплавов (латунь, бронза), до слоя толщиной 9 мкм, затем производят электромеханическое сглаживание этой поверхности другим инструментом, изготовленным из твердого сплава с радиусной рабочей поверхностью, со скоростью 0,1-0,2 м/с при давлении 10 МПа и плотности тока 110-150 А/мм, причем оба инструмента и изделие при обработке образуют общую рабочую электрическую цепь. При реализации способа создается модифицированный микрорельеф поверхности, обеспечивающий снижение коэффициента трения более чем в 2 раза, создание условий для удержания смазки на поверхности, повышение износостойкости и увеличение нагрузки до заедания. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ обработки стальных и чугунных поверхностей изделий, включающий натирание поверхности инструментом из меди или ее сплавов и упрочняющую обработку, отличающийся тем, что натирание поверхности изделия осуществляют до слоя толщиной 9 мкм, после чего проводят упрочняющую обработку путем сглаживания поверхности твердосплавным инструментом со скоростью 0,1-0,2 м/с при давлении 10 МПа и плотности тока 110 А/мм², причем инструменты и изделие образуют общую рабочую электрическую цепь. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что изделия представляют собой тела вращения. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что натирание проводят инструментом из латуни или бронзы.