СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ Российский патент 2003 года по МПК C23C24/04 B23P9/04 

Изобретение относится к машиностроению и преимущественно может быть использовано для создания металлокерамических покрытий на поверхностях деталей из черных и цветных металлов и сплавов, обладающих высокими триботехническими характеристиками, износостойкостью и коррозионной стойкостью, а также для восстановления изношенных металлических поверхностей путем создания на них металлокерамического слоя.

Известны способы обработки металлов давлением с использованием энергии ультразвука (SU 456704, 1975, SU 1720779, 1988, RU 2050222, 1995, RU 2127658, 1999), которые используются при финишной обработке поверхностей металлических деталей для повышения твердости поверхностного слоя, уменьшения шероховатости и снижения коэффициента трения и в общей для них части предусматривают воздействие на обрабатываемую поверхность ультразвуковыми механическими колебаниями посредством акустического инструмента, соединенного с ультразвуковым электромеханическим преобразователем, или рабочих тел, на которые наложено ультразвуковое поле.

Однако возможности указанных известных способов по улучшению триботехнических и прочностных характеристик обрабатываемых поверхностей весьма ограничены, поскольку данное улучшение связано лишь с пластической деформацией и повышением чистоты обрабатываемых поверхностей, а не с их модификацией, например, путем создания металлокерамического поверхностного слоя. Кроме того, по этой же причине указанные известные способы не позволяют повышать коррозионную стойкость поверхностей и восстанавливать изношенные металлические поверхности.

Известны способы обработки деталей трения (SU 152601, 1969, SU 1196552, 1985, SU 1668471, 1991), которые в общей для них части предусматривают изготовление смеси смазочного масла и металлосодержашей присадки, подачу изготовленной смеси в зону трения и приработку деталей трения в эксплуатационном или близком к нему режиме. При этом в качестве металлосодержащей присадки используют
- размещаемые в нижней части масляного картера механизма куски сплава олова, сурьмы или висмута в количестве 75,0-96,5% от массы сплава с натрием в количестве 3,5-25,0% от массы сплава, либо сплава олова, сурьмы или висмута в количестве 90,0-98,8% от массы сплава с литием в количестве 1,2-10,0% от массы сплава, а также добавляемые в смазочное масло галоиды, например йод, бром, хлор или фтор в количестве 0,02-0,08% от массы сплава (SU 152601, 1969);
- состав из порошка меди в количестве 16-20% от массы смеси со смазочным маслом, порошка свинца в количестве 4-6% от массы смеси и порошка политетрафторэтилена в количестве 1-2% от массы смеси (SU 1196552, 1985);
- состав из порошков меди или цинка и абразивных частиц, например, оксида алюминия с дисперсностью до 10 мкм (SU 1668471, 1991).

Указанные известные способы, использующие смеси смазочного масла с металлосодержащими присадками, обеспечивают повышение износостойкости только за счет уменьшения коэффициента трения вследствие либо выравнивания поверхности при заполнении частицами присадки микронеровностей поверхностей трения, либо образования на поверхности химических соединений с высокими антифрикционными свойствами. В ряде случаев это сопровождается образованием на поверхностях трения тончайших пленок, незначительно компенсирующих их износ.

Однако недостатками указанных способов являются низкая прочность и коррозионная стойкость получаемых с их помощью поверхностей трения. Кроме того, процесс образования на поверхности трения пленки связан с приработкой в эксплуатационном или близком к нему режиме, что ограничивает область применения указанных известных способов, так как позволяет применять их для целей обработки только поверхностей трения и исключительно при безразборном ремонте механизма.

Известны способы модифицирования и восстановления поверхностей трения с преобладающим содержанием железа (SU 1601426, 1990, RU 2035636, 1995, RU 2093719, 1997, RU 2135638, 1999, RU 2149741, 2000, UA 24442 А, 1998), которые обеспечивают получение на поверхностях трения металлокерамического покрытия и в общей для них части предусматривают изготовление мелкодисперсного состава из природных минералов, введение изготовленного состава в органическое связующее, как правило, штатное смазочное масло, размещение смеси состава с органическим связующим в зоне трения и приработку в эксплуатационном или близком к нему режиме. В указанных известных способах в качестве смеси состава с органическим связующим используют
- смесь истертого природного кварца в количестве 0,1-5,0% от массы смеси и органического связующего в количестве 95,0-99,9% от массы смеси (SU 1601426, 1990);
- смесь абразивоподобного порошка со связующим, например дисперсным стеарином, причем абразивоподобный порошок содержит серпентин в количестве 51-60% от массы порошка, тальк в количестве 20-40% от массы порошка и взятые в равных долях серу, пирротин, энстатит и фаялит в общей сложности в количестве 8-10% от массы порошка (RU 2035636, 1995);
- смесь абразивоподобного минерального порошка с дисперсностью 4-10 мкм, например, в количестве 2% от массы смеси и связующего, например, в количестве 98% от массы смеси, причем указанный абразивоподобный минеральный порошок содержит хризотил в количестве 20-40% от массы порошка, каолинит в количестве 40-60% от массы порошка, оксид лантана в количестве 2-4% от массы порошка, оксид иттрия в количестве 2-4% от массы порошка, оксид алюминия в количестве 2-8% от массы порошка и оксид железа в количестве 6-7% от массы порошка (RU 2093719, 1997);
- смесь мелкодисперсного ремонтно-восстановительного состава, содержащего 50-80% от массы состава офита, 10-40% от массы состава нефрита и 1-10% от массы состава шунгита, со штатной смазкой (RU 2135638, 1999);
- смесь порошкообразного ремонтно-восстановительного состава с дисперсностью 10-30 мкм в количестве 0,15-20,00% от массы смеси, содержащего природный минерал или смесь природных минералов, включающие аморфную двуокись кремния в количестве 40-55% от массы состава, и катализаторы на основе шунгита и редкоземельных металлов в количестве 0,02-2,00% от массы состава с базовым маслом в количестве 80,00-99,85% от массы смеси (RU 2149741, 2000, UA 24442 А, 1998).

В процессе образования металлокерамического покрытия при эксплуатации машины под воздействием трения температура в микрообъемах поверхностей трения достигает значений, при которых происходят реакции замещения атомов магния в узлах кристаллических решеток природных минералов, входящих в ремонтно-восстановительный состав, на атомы железа из кристаллических решеток стали или сплава из железа, из которых изготовлены поверхности трения. При этом образуются новые гетероатомные кристаллы с более протяженными пространственными структурами, что способствует образованию металлокерамического покрытия, компенсирующего предшествующий износ поверхностей трения. Образованное металлокерамическое покрытие обладает низким коэффициентом трения, высокими износостойкостью и коррозионной стойкостью.

Однако полученные с помощью указанных известных способов металлокерамические покрытия обладают низкой долговечностью из-за хрупкости и возможного расслаивания, а также неравномерностью толщины и неоднородностью структуры, что вызвано не контролируемым, а самопроизвольным процессом их образования на этапе приработки в эксплуатационном или близком к нему режиме, не позволяющем получать металлокерамические покрытия с заданными желаемыми параметрами. Данные металлокерамические покрытия могут быть образованы только на металлических поверхностях с преобладающим содержанием железа, и поэтому указанные известные способы не могут быть использованы для создания металлокерамических покрытий на поверхностях деталей, выполненных из других металлов и сплавов. Кроме того, процесс образования металлокерамического покрытия связан с приработкой в эксплуатационном или близком к нему режиме, что ограничивает область применения указанных известных способов, так как позволяет применять их для целей модифицирования и восстановления только поверхностей трения и исключительно при безразборном ремонте механизма.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению следует считать способ нанесения покрытия на поверхности трения (RU 2100478, 1997, C 23 C 24/04, B 22 F 7/ 04), согласно которому покрытие наносят путем натирания поверхности обрабатываемой цилиндрической детали находящимся с ней в механическом контакте акустическим инструментом в присутствии псевдокипящего слоя активирующей среды в виде порошковой твердой смазки на основе графита, дисульфита молибдена или диселенида молибдена, частицам которой сообщают при этом колебания ультразвуковой частоты. Вследствие механического воздействия акустическим инструментом на частицы порошковой смазки в радиальном и тангенциальном направлениях относительно обрабатываемой поверхности происходит их интенсивная адгезия в микронеровности поверхности детали, обеспечивая заполнение последних. В результате снижается шероховатость обрабатываемой поверхности и улучшаются ее антифрикционные свойства.

Однако увеличение ресурса работы детали с покрытием, нанесенным в соответствии со способом-прототипом, обеспечивается только за счет снижения коэффициента трения, но при этом не достигается повышения микротвердости обрабатываемой поверхности и, следовательно, ее износостойкости. Поскольку при процессах, протекающих в случае реализации способа-прототипа, реакций замещения между атомами химических элементов, входящих в состав наносимого твердосмазочного покрытия и материала обрабатываемой детали, не происходит, полученное покрытие обладает недостаточной долговечностью, что при эксплуатации детали с течением времени приводит к снижению ее антифрикционных свойств. Кроме того, обработка детали с использованием способа-прототипа не обеспечивает повышения ее коррозионной стойкости, а также не позволяет выполнять восстановления поверхности детали за счет наращивания на ней слоя, компенсирующего ее предшествующий износ.

При этом механическая нагартовка твердосмазочного покрытия на обрабатываемую деталь акустическим инструментом в соответствии со способом-прототипом носит не управляемый, а самопроизвольный характер, не позволяющий, например, путем выбора параметров ультразвукового воздействия или состава активирующей среды влиять на свойства наносимого на деталь покрытия. Поэтому способ-прототип, как и все известные способы-аналоги, не предусматривает управляемости процесса образования поверхностного покрытия детали, в результате чего с их помощью не удается получить покрытия с заданными желаемыми параметрами, например микротвердостью, шероховатостью и толщиной образованного покрытия.

Недостатками прототипа являются недостаточные износостойкость, долговечность и коррозионная стойкость получаемого покрытия, а также невозможность восстановления изношенных металлических поверхностей и получения покрытий с заданными желаемыми параметрами.

Целью предлагаемого изобретения является создание способа ультразвуковой обработки металлических поверхностей, который обеспечивает получение обладающего высокими износостойкостью, долговечностью и коррозионной стойкостью металлокерамического покрытия, имеющего заданные желаемые параметры и позволяющего, в том числе, восстанавливать предварительный износ металлической поверхности.

Поставленная цель достигается, согласно изобретению, тем, что способ ультразвуковой обработки металлических поверхностей, включающий, в соответствии с прототипом, изготовление мелкодисперсной твердой активирующей среды на основе измельченных природных минералов, подачу активирующей среды на обрабатываемую поверхность, воздействие на активирующую среду и обрабатываемую поверхность ультразвуковыми механическими колебаниями с помощью акустического инструмента, отличается от прототипа тем, что активирующую среду изготавливают из смеси серпентинитов, содержащей 32-45 мас.% кремния, 18-26 мас. % окиси магния и 10-14 мас.% окиси железа, и воздействие на обрабатываемую поверхность ультразвуковыми механическими колебаниями производят через слой измельченных серпентинитов. При этом либо перед воздействием ультразвуковыми механическими колебаниями наносят на обрабатываемую поверхность слой измельченных до дисперсности 0,1-10,0 мкм серпентинитов, либо воздействие на обрабатываемую поверхность ультразвуковыми механическими колебаниями производят акустическим инструментом с рабочей поверхностью, выполненной на основе измельченных до дисперсности 5-50 мкм серпентинитов, а воздействие на обрабатываемую поверхность осуществляют ультразвуковыми механическими колебаниями с частотой 22-24 кГц и мощностью 0,4-10,0 кВт в течение 1-60 мин для каждого квадратного дециметра обрабатываемой поверхности.

Изготовление активирующей среды из смеси серпентинитов, содержащей 32-45 мас. % кремния, 18-26 мас.% окиси магния и 10-14 мас.% окиси железа и воздействие на обрабатываемую поверхность акустическим инструментом через слой измельченных серпентинитов ультразвуковыми механическими колебаниями обеспечивают получение на обрабатываемой поверхности обладающего высокими износостойкостью, долговечностью и коррозионной стойкостью металлокерамического слоя, позволяющего, в том числе, восстанавливать ее предварительный износ.

Данное положение подтверждается следующими обстоятельствами.

Под действием ультразвуковых механических колебаний акустического инструмента и его трения об обрабатываемую поверхность происходит очистка микрорельефа обрабатываемой поверхности мелкодисперсными частицами серпентинитов, нанесенными на обрабатываемую поверхность или отделившимися от рабочей поверхности акустического инструмента, а также нагартовка данных частиц в очищенный микрорельеф обрабатываемой поверхности. Ультразвуковые механические колебания, трение, дальнейший размол частиц измельченных серпентинитов на обрабатываемой поверхности и очистка ее микронеровностей вызывают выделение энергии, приводящей к нагреву обрабатываемой поверхности до температур, достигающих в ее микрообъемах значений 600-1000^oС. Подобный нагрев доводит поверхностные слои металла до состояния текучести или близкого к нему. Это вызывает интенсивную диффузию частиц измельченных серпентинитов в поверхностный слой металла.

Серпентиниты, отвечающие общей химической формуле Mg₆(Si₄О₁₀)(OH)₈ и различающиеся особенностями кристаллической структуры, содержат в узлах своих кристаллических решеток атомы магния, входящие в состав окиси магния, содержащейся в количестве 18-26% от массы смеси серпентинитов активирующей среды. При дисперсности частиц измельченных серпентинитов, сравнимой с размерами элементарных кристаллов, в условиях высоких температур происходят реакции замещения между атомами металла обрабатываемой поверхности и атомами магния в узлах кристаллических решеток серпентинитов. При этом атомы металла обрабатываемой поверхности замещают прежде всего те атомы магния, которые расположены в узлах поверхностных слоев кристаллических решеток серпентинитов.

В результате на обрабатываемой поверхности возникает выращенный металлокерамический слой, который вследствие диффузии частиц смеси измельченных серпентинитов и произошедших реакций замещения оказывается чрезвычайно прочно связанным с обрабатываемой поверхностью и обеспечивает компенсацию ее предварительного износа. Благодаря наличию в активирующей среде составляющего основу смеси серпентинитов кремния в количестве 32-45 мас.% данный металлокерамический слой обладает низкими коэффициентом трения и шероховатостью, высокими микротвердостью и коррозионной стойкостью, что повышает износостойкость обработанной поверхности.

Наличие в смеси измельченных серпентинитов железа в составе сопутствующей примеси окиси железа, составляющей 10-14 мас.%, при обработке железосодержащих поверхностей способствует получению металлокерамического слоя с высокой структурной однородностью и, следовательно, высокой износостойкостью, а также образованию более прочной связи данного слоя с обработанной поверхностью.

При этом для осуществления воздействия на обрабатываемую поверхность ультразвуковыми механическими колебаниями через слой измельченных серпентинитов либо наносят на обрабатываемую поверхность перед воздействием акустическим инструментом слой измельченных до дисперсности 0,1-10,0 мкм серпентинитов, например, путем напыления, либо воздействие на обрабатываемую поверхность ультразвуковыми механическими колебаниями производят акустическим инструментом с рабочей поверхностью, выполненной на основе измельченных до дисперсности 5-50 мкм серпентинитов, например, посредством спекания. В последнем случае размеры частиц смеси серпентинитов имеют значения, большие, чем при использовании напыления, поскольку в процессе воздействия акустическим инструментом на обрабатываемую поверхность при отделении частиц от его рабочей поверхности происходит их дополнительное измельчение.

Осуществление воздействия акустическим инструментом на обрабатываемую поверхность ультразвуковыми механическими колебаниями с частотой в диапазоне от 22 до 24 кГц и мощностью в диапазоне от 0,4 до 10,0 кВт в течение времени от 1 до 60 мин для каждого квадратного дециметра обрабатываемой поверхности и применение смеси измельченных серпентинитов с дисперсностью в диапазоне 0,1-10,0 мкм или 5-50 мкм, выбираемом в зависимости от используемого способа подачи активирующей среды на обрабатываемую поверхность, позволяет с учетом исходной шероховатости обрабатываемой поверхности выбирать необходимую дисперсность используемой смеси серпентинитов и энергетические и временные параметры применяемого режима ультразвуковой обработки поверхности, которые необходимы для получения металлокерамического слоя, имеющего такие заданные желаемые параметры, как, например, микротвердость, толщина наращиваемого металлокерамического слоя, глубина проникновения металлокерамического слоя в обрабатываемую поверхность и степень структурной однородности получаемого слоя.

Так, например, выбор величины мощности и времени воздействия на обрабатываемую поверхность ультразвуковыми механическими колебаниями определяет величину энергии, сообщаемой слою смеси измельченных серпентинитов и обрабатываемой поверхности и расходуемой на осуществление физико-химических процессов, в том числе, на обеспечение протекания реакций замещения между атомами металла обрабатываемой поверхности и атомами магния в узлах кристаллических решеток смеси серпентинитов. Поэтому значения мощности и времени воздействия на обрабатываемую поверхность ультразвуковыми механическими колебаниями определяют толщину и однородность структуры наращиваемого на детали металлокерамического слоя, а обоснованный выбор этих значений позволяет получать указанный слой с желаемыми заданными значениями данных параметров.

Частота и время воздействия на обрабатываемую поверхность ультразвуковыми механическими колебаниями оказывают влияние на процесс расшатывания кристаллической решетки поверхностных слоев металла обрабатываемой детали и поэтому определяют глубину диффузионного проникновения смеси измельченных серпентинитов в обрабатываемую поверхность, а следовательно, глубину проникновения формируемого металлокерамического слоя в поверхностный слой обрабатываемой детали.

При этом увеличение дисперсности используемой смеси измельченных серпентинитов приводит к росту толщины наращиваемого металлокерамического слоя, а уменьшение дисперсности вызывает увеличение глубины проникновения металлокерамического слоя в поверхностный слой обрабатываемой детали.

Сущность предлагаемого способа ультразвуковой обработки металлических поверхностей заключается в следующем.

Первоначально изготавливают мелкодисперсную твердую активирующую среду из смеси серпентинитов, содержащей 32-45 мас.% кремния, 18-26 мас.% окиси магния и 10-14 мас.% окиси железа и имеющей дисперсность 0,1-10,0 мкм или 5-50 мкм, путем выполнения следующих операций:
- раздельное дробление и размол серпентинитов до требуемой дисперсности, которые производятся с использованием существующих измельчающих агрегатов;
- классификация, предусматривающая отбор измельченных серпентинитов по размерам, плотности и массе частиц путем сепарации;
- тонкая очистка от примесей и сопутствующих, а также обогащение;
- перемешивание измельченных серпентинитов для получения смеси;
- усушка смеси измельченных серпентинитов для уменьшения содержания воды.

В случае использования смеси измельченных серпентинитов с дисперсностью 5-50 мкм изготавливают акустический инструмент с рабочей поверхностью, выполненной из указанной смеси посредством спекания, и последующую подачу активирующей среды на обрабатываемую поверхность осуществляют непосредственно при воздействии изготовленным акустическим инструментом на обрабатываемую поверхность. При использовании смеси измельченных серпентинитов с дисперсностью 0,1-10,0 мкм подачу активирующей среды на обрабатываемую поверхность производят перед воздействием акустическим инструментом путем нанесения указанной смеси на обрабатываемую поверхность, например, путем напыления. В этом случае для воздействия на обрабатываемую поверхность применяют типовой акустический инструмент, выбранный из существующих акустических инструментов.

Затем воздействуют на обрабатываемую поверхность ультразвуковыми механическими колебаниями с помощью типового или изготовленного акустического инструмента через слой измельченных серпентинитов, соответственно либо нанесенный на обрабатываемую поверхность, либо входящий в состав рабочей поверхности изготовленного акустического инструмента. При этом воздействие на обрабатываемую поверхность производят ультразвуковыми механическими колебаниями с частотой 22-24 кГц и мощностью 0,4-10,0 кВт в течение 1-60 мин для каждого квадратного дециметра обрабатываемой поверхности.

Указанные качественное и количественное соотношения компонентов и необходимые диапазоны дисперсности смеси измельченных серпентинитов, а также диапазоны энергетических и временных параметров применяемого режима ультразвукового воздействия на обрабатываемую поверхность являются наиболее предпочтительными, и при выходе за заявляемые диапазоны и соотношения декларируемый выше технический результат не достигается.

Так, например, использование при напылении смеси измельченных серпентинитов с размерами частиц свыше 10 мкм приводит к существенному снижению производительности процесса формирования металлокерамического слоя, уменьшению степени его однородности и глубины проникновения в поверхностный слой обрабатываемой детали, а применение смеси с размерами частиц, меньших 0,1 мкм, вызывает нарушение межкристаллических связей в используемых серпентинитах, что приводит также к снижению производительности и снижению микротвердости и степени однородности формируемого металлокерамического слоя. Использование при изготовлении рабочей поверхности акустического инструмента смеси серпентинитов с частицами больших размеров, составляющих 5-50 мкм, является необходимым, поскольку в процессе воздействия акустическим инструментом на обрабатываемую поверхность при отделении частиц от его рабочей поверхности происходит их дополнительное измельчение до размеров 0,1-10,0 мкм.

Использование смеси измельченных серпентинитов, содержащей менее 32 мас. % кремния, не обеспечивает получения металлокерамического слоя с необходимыми значениями микротвердости и коэффициента трения, а также не позволяет обеспечить высоких антикоррозионных свойств обрабатываемой поверхности. Применение смеси измельченных серпентинитов с содержанием кремния в количестве, большем 45 мас.%, приводит к чрезмерной хрупкости сформированного металлокерамического слоя и ослаблению его связи с обработанной поверхностью детали.

Применение смеси измельченных серпентинитов с содержанием окиси магния, меньшем 18 мас. %, приводит к заметному снижению количества происходящих реакций замещения между атомами металла обрабатываемой поверхности и атомами магния в узлах кристаллических решеток серпентинитов, что вызывает снижение прочности связи сформированного металлокерамического слоя с обработанной поверхностью. При содержании окиси магния более 26 мас.% снижается микротвердость, однородность структуры и износостойкость сформированного металлокерамического слоя.

При содержании окиси железа в смеси измельченных серпентинитов менее 10 мас.% не удается получить металлокерамический слой с требуемой однородностью структуры, а при содержании окиси железа свыше 14 мас.% ухудшаются антикоррозионные свойства и микротвердость полученного слоя.

При обеспечении приемлемых временных затрат на обработку каждого квадратного дециметра поверхности детали, составляющих 1-60 мин, и мощности ультразвукового механического воздействия менее 0,4 кВт выделяемой энергии оказывается недостаточно для необходимого нагрева обрабатываемой поверхности детали и расшатывания кристаллической решетки металла ее поверхностных слоев, в результате чего существенно снижается производительность процесса обработки. Применение ультразвукового механического воздействия с мощностью, превышающей 10 кВт, не вызывает заметного повышения производительности технологического процесса, но приводит к существенному усложнению реализующих предлагаемый способ технических средств. Выбор частоты ультразвукового механического воздействия в диапазоне 22-24 кГц также является наиболее предпочтительным, так как воздействие при частотах меньших значений не обеспечивает необходимой глубины диффузионного проникновения частиц измельченных серпентинитов в поверхностный слой обрабатываемой детали и поэтому не позволяет получить необходимой глубины проникновения сформированного металлокерамического слоя в поверхностный слой детали, а также его прочной связи с обработанной поверхностью. Использование механического воздействия при частотах, больших 24 кГц, не вызывает заметного повышения интенсивности диффузионных процессов, но также приводит к существенному усложнению реализующих предлагаемый способ технических средств.

На чертеже показана схема устройства, позволяющего осуществить предлагаемый способ ультразвуковой обработки металлических поверхностей, где 1 - акустический инструмент, 2 - рабочая поверхность акустического инструмента 1, 3 - магнитострикционный преобразователь, 4 - основание преобразователя, 5 - ультразвуковой волновод-концентратор, 6 - обрабатываемая деталь и 7 - обрабатываемая поверхность.

Магнитострикционный преобразователь 3, в качестве которого может быть использован стандартный магнитострикционный преобразователь, например, типа ПМС-15, закреплен на основании 4 преобразователя, которое установлено с возможностью перемещения в направлении к обрабатываемой поверхности 7 обрабатываемой детали 6 для создания статического усилия прижима акустического инструмента 1, а также вдоль обрабатываемой поверхности 7 для обеспечения возможности воздействия акустическим инструментом 1 последовательно во времени на всю обрабатываемую поверхность 7 обрабатываемой детали 6, например, на суппорте токарного станка (не показан). Магнитострикционный преобразователь 3 подключен к выходу стандартного ультразвукового генератора, например, типа УЗГ-8, который на чертеже также не показан. На магнитострикционном преобразователе 3 установлен ультразвуковой волновод-концентратор 5, на котором закреплен акустический инструмент 1. В качестве акустического инструмента 1 может быть использован типовой акустический инструмент, выполненный, например, из сплава вольфрама с кобальтом ВК-8, и тогда подача активирующей среды на обрабатываемую поверхность 7 должна осуществляться предварительным нанесением на нее слоя измельченных серпентинитов, например, посредством напыления. В соответствии с предлагаемым способом может быть использован предварительно изготовленный акустический инструмент 1, рабочая поверхность 2 которого выполнена из смеси измельченных серпентинитов, например, путем спекания. В обоих случаях является предпочтительным, чтобы рабочая поверхность 2 акустического инструмента 1 имела радиус кривизны, равный радиусу кривизны обрабатываемой поверхности 7, что обеспечивает максимально возможную площадь прилегания рабочей поверхности 2 акустического инструмента 1 к обрабатываемой поверхности 7 и, следовательно, более высокую производительность процесса обработки. Обрабатываемая деталь 6, имеющая, например, цилиндрическую форму обрабатываемой поверхности 7, установлена с возможностью вращения относительно продольной оси, например, в патроне токарного станка, который на чертеже не показан.

В соответствии с предлагаемым способом обработку металлической поверхности с помощью данного устройства осуществляют следующим образом.

Закрепляют обрабатываемую деталь 6 в патроне токарного станка и приводят ее во вращение. В случае использования типового акустического инструмента 1 напыляют на обрабатываемую поверхность 7 смесь измельченных серпентинитов. Включают ультразвуковой генератор и осуществляют подачу суппорта токарного станка с установленным на нем основанием 4 преобразователя, на котором закреплен магнитострикционный преобразователь 3, в сторону обрабатываемой поверхности 7 обрабатываемой детали 6 до поджатия рабочей поверхности 2 акустического инструмента 1 к обрабатываемой поверхности 7 с требуемым статическим усилием прижима. Затем осуществляют подачу суппорта токарного станка вместе с основанием 4 преобразователя, магнитострикционным преобразователем 3, ультразвуковым волноводом-концентратором 5 и акустическим инструментом 1 вдоль обрабатываемой поверхности 7 обрабатываемой детали 6 с необходимой скоростью подачи. Магнитострикционный преобразователь 3 преобразует поступающее с ультразвукового генератора напряжение в механические колебания ультразвуковой частоты, которые по ультразвуковому волноводу-концентратору 5 передаются акустическому инструменту 1, вызывая его продольные ультразвуковые механические колебания.

Под действием ультразвуковых механических колебаний акустического инструмента 1 и взаимодействия его рабочей поверхности 2 с обрабатываемой поверхностью 7 происходит очистка микрорельефа обрабатываемой поверхности 7 мелкодисперсными частицами серпентинитов, предварительно напыленными на обрабатываемую поверхность 7 или отделившимися от рабочей поверхности 2 акустического инструмента 1, а также нагартовка данных частиц в очищенный микрорельеф обрабатываемой поверхности 7. Ультразвуковые механические колебания, трение, дальнейший размол частиц измельченных серпентинитов на обрабатываемой поверхности 7 и очистка ее микронеровностей вызывают выделение энергии, приводящей к нагреву обрабатываемой поверхности 7 до температур, достигающих в ее микрообьемах значений 600-1000^oС. Подобный нагрев доводит поверхностные слои металла обрабатываемой детали 6 до состояния текучести или близкого к нему. Это вызывает интенсивную диффузию частиц измельченных серпентинитов в поверхностный сдой металла обрабатываемой детали 6. В условиях настолько высоких температур происходят реакции замещения между атомами металла обрабатываемой поверхности 7 и атомами магния в узлах кристаллических решеток серпентинитов. В результате на обрабатываемой поверхности 7 обрабатываемой детали 6 возникает выращенный металлокерамический слой, который вследствие диффузии частиц смеси измельченных серпентинитов и произошедших реакций замещения оказывается чрезвычайно прочно связанным с обрабатываемой поверхностью 7 и в случае ее предварительного износа обеспечивает его компенсацию.

Благодаря вращению обрабатываемой детали 6 и осуществлению подачи суппорта токарного станка вместе с акустическим инструментом 1 вдоль обрабатываемой поверхности 7 рабочая поверхность 2 акустического инструмента 1 последовательно во времени оказывает ультразвуковое механическое воздействие на всю площадь обрабатываемой поверхности 7, вызывая образование на ней металлокерамического слоя.

Достигаемый технический результат и возможности применения предлагаемого способа ультразвуковой обработки металлических поверхностей иллюстрируются следующими примерами его осуществления, в которых использовались магнитостриктер ПМС-15 и ультразвуковой генератор УЗГ-8.

Пример 1.

На базе испытательной лаборатории Заявителя, в соответствии с предлагаемым способом, на токарном станке был обработан вал, выполненный из стали Ст. 45 с шероховатостью 2,6-3,2 мкм и микротвердостью 38-40 HRC. На вал была напылена смесь измельченных серпентинитов, составленная из минералов группы хризотилов и группы каолинитов и содержащая 39 мас.% кремния, 22 мас.% окиси магния и 12 мас. % окиси железа с дисперсностью 1-5 мкм в количестве 75% частиц и 5-10 мкм в количестве 25% частиц. Обработка производилась акустическим инструментом из сплава вольфрама с кобальтом ВК-8 при частоте 22 кГц и мощности 1 кВт.

При расходе смеси измельченных серпентинитов из расчета 0,5 г на квадратный дециметр обрабатываемой поверхности и после обработки в течение 5 мин каждого квадратного дециметра поверхности на валу был образован металлокерамический слой толщиной 2,0-2,2 мкм с шероховатостью 1,0-1,2 мкм и микротвердостью 52-53 HRC. В случае расхода смеси измельченных серпентинитов из расчета 1 г на квадратный дециметр обрабатываемой поверхности и после обработки в течение 3 мин каждого квадратного дециметра поверхности толщина металлокерамического слоя составила 3,5-3,7 мкм, шероховатость 0,84-0,86 мкм и микротвердость 54-55 HRC.

Пример 2.

На базе испытательной лаборатории ОАО "ГАЗ" проводилась обработка на строгальном станке металлических поверхностей, выполненных из подвергнутой предварительной термообработке стали Ст. 45 и имеющих шероховатость 2,2-2,4 мкм и микротвердость 47-49 HRC, с использованием смеси измельченных серпентинитов, состоящей из минералов группы хризотилов и группы лизардитов и содержащей 41 мас.% кремния, 19 мас.% окиси магния и 14 мас.% окиси железа. Ультразвуковое механическое воздействие имело частоту 23 кГц и мощность 8,5 кВт и производилось в течение 5 мин для каждого квадратного дециметра обрабатываемой поверхности.

После напыления на поверхность смеси измельченных серпентинитов с дисперсностью 0,1-10,0 мкм и обработки акустическим инструментом из сплава вольфрама с кобальтом ВК-6 на обработанной поверхности сформировался металлокерамический слой толщиной около 0,08 мм, имеющий шероховатость 0,5-1,7 мкм и микротвердость 52-53 HRC.

В результате обработки акустическим инструментом с рабочей поверхностью, выполненной из смеси измельченных серпентинитов с дисперсностью 5-20 мкм путем спекания, образованный металлокерамический слой имел толщину 0,21-0,24 мм, шероховатость 0,12-0,25 мкм и микротвердость 58-64 HRC.

После обработки акустическим инструментом с рабочей поверхностью, выполненной из смеси измельченных серпентинитов с дисперсностью 20-50 мкм, образовался металлокерамический слой толщиной 0,18-0,20 мм с шероховатостью 0,15-0,32 мкм и микротвердостью 64-68 HRC.

Пример 3.

В испытательной лаборатории Заявителя на токарном станке был обработан вал, выполненный из стали Ст. 45Х и имеющий шероховатость 3,2-3,4 мкм и микротвердость 20-32 HRC, с использованием акустического инструмента с рабочей поверхностью площадью 5 мм², выполненной из смеси измельченных серпентинитов с дисперсностью 5-50 мкм, составленной из минералов группы хризотилов и содержащей 32 мас.% кремния, 19 мас.% окиси магния и 12 мас.% окиси железа. При частоте ультразвукового механического воздействия 22 кГц обработка каждого квадратного дециметра поверхности вала производилась в течение 5 мин.

В результате обработки при мощности ультразвукового механического воздействия 0,6 кВт на поверхности вала был получен металлокерамический слой толщиной 0,03-0,08 мм с шероховатостью 0,08-0,09 мкм и микротвердостью 37-41 HRC. При мощности воздействия 2 кВт толщина металлокерамического слоя составила 0,05-0,12 мм при шероховатости 0,06-0,07 мкм и микротвердости 45-49 HRC, а при мощности 4 кВт толщина металлокерамического слоя имела значения 0,1-0,6 мм при шероховатости 0,02-0,03 мкм и микротвердости 54-60 HRC.

Пример 4.

В испытательной лаборатории Заявителя с помощью строгального станка была обработана поверхность из железистой бронзы с шероховатостью 0,3-0,4 мкм и микротвердостью 20-22 HRC с использованием акустического инструмента с рабочей поверхностью площадью 3 мм², выполненной из смеси измельченных серпентинитов с дисперсностью 5-50 мкм, составленной из минералов группы актинолитов и группы каолинитов и содержащей 39 мас.% кремния, 24 мас.% окиси магния и 10 мас.% окиси железа. Обработка производилась ультразвуковым механическим воздействием с частотой 23 кГц и мощностью 3,5 кВт.

При обработке каждого квадратного дециметра поверхности в течение 1 мин был получен металлокерамический слой толщиной около 3 мкм с шероховатостью 0,27-0,28 мкм и микротвердостью 24-26 HRC. В результате обработки каждого квадратного дециметра поверхности в течение 3 мин толщина металлокерамического слоя составила примерно 4 мкм при шероховатости 0,19-0,20 мкм и микротвердости 28-29 HRC, а при обработке в течение 5 мин металлокерамический слой обладал толщиной около 5 мкм, шероховатостью 0,15-0,16 мкм и микротвердостью 35-37 HRC.

Во всех случаях, описанных в приведенных примерах, реакция образованных металлокерамических слоев на кислоты и щелочи была отрицательной.

Таким образом, как подтверждают приведенные примеры, предлагаемый способ ультразвуковой обработки металлических поверхностей обеспечивает получение на металлических поверхностях, выполненных как из черных, так и из цветных металлов и сплавов, обладающих высокими износостойкостью, долговечностью и коррозионной стойкостью металлокерамических покрытий, имеющих заданные желаемые параметры и позволяющих, в том числе, восстанавливать предварительный износ металлических поверхностей.

Изобретение относится к машиностроению и преимущественно может быть использовано для создания металлокерамических покрытий на поверхностях деталей из черных и цветных металлов и сплавов. Способ включает изготовление мелкодисперсной твердой активирующей среды из смеси измельченных серпентинитов, содержащей 32-45 мас.% кремния, 18-26 мас.% окиси магния и 10-14 мас.% окиси железа, подачу активирующей среды на обрабатываемую поверхность и воздействие на обрабатываемую поверхность посредством акустического инструмента ультразвуковыми механическими колебаниями через слой измельченных серпентинитов. При этом подачу активирующей среды на обрабатываемую поверхность выполняют либо нанесением на обрабатываемую поверхность перед воздействием ультразвуковыми механическими колебаниями слоя измельченных до дисперсности 0,1-10,0 мкм серпентинитов, либо в процессе воздействия на обрабатываемую поверхность ультразвуковыми механическими колебаниями посредством акустического инструмента с рабочей поверхностью, выполненной на основе измельченных до дисперсности 5-50 мкм серпентинитов, причем воздействие на обрабатываемую поверхность выполняют ультразвуковыми механическими колебаниями с частотой 22-24 кГц и мощностью 0,4-10,0 кВт в течение 1-60 мин для каждого квадратного дециметра обрабатываемой поверхности. Способ обеспечивает получение обладающего высокими износостойкостью, долговечностью и коррозионной стойкостью металлокерамического покрытия. 3 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ ультразвуковой обработки металлических поверхностей, включающий подачу мелкодисперсной твердой активирующей среды на обрабатываемую поверхность, воздействие на мелкодисперсную твердую активирующую среду и обрабатываемую поверхность ультразвуковыми механическими колебаниями с помощью акустического инструмента, отличающийся тем, что мелкодисперсную твердую активирующую среду изготавливают из смеси измельченных серпентинитов, содержащей 32-45 мас. % кремния, 18-26 мас. % окиси магния и 10-14 мас. % окиси железа, а воздействие на обрабатываемую поверхность ультразвуковыми механическими колебаниями производят через слой смеси измельченных серпентинитов. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед воздействием ультразвуковыми механическими колебаниями наносят на обрабатываемую поверхность слой смеси измельченных до дисперсности 0,1-10,0 мкм серпентинитов. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что воздействие на обрабатываемую поверхность ультразвуковыми механическими колебаниями производят акустическим инструментом с рабочей поверхностью, выполненной на основе смеси измельченных до дисперсности 5-50 мкм серпентинитов. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что воздействуют на обрабатываемую поверхность ультразвуковыми механическими колебаниями с частотой 22-24 кГц и мощностью 0,4-10,0 кВт в течение 1-60 мин для каждого квадратного дециметра обрабатываемой поверхности.