СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПОКРЫТИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ Российский патент 2017 года по МПК B23H9/00 

Изобретение относится к области электрофизических методов обработки материалов и может быть использовано для нанесения на поверхность изделий покрытий с регламентированными свойствами.

Для улучшения физических, химических, механических и технологических свойств поверхность деталей легируют, вводят в их состав различные легирующие элементы или наносят на детали покрытия с требуемыми физико-механическими свойствами.

Известен способ легирования стальных деталей путем термодиффузионного насыщения поверхности деталей различными легирующими элементами, который заключается в нанесении на поверхность детали обмазки, содержащей легирующий элемент, и выдержке в печи детали при высокой температуре с последующим охлаждением (см. Ю.М. Лахтин, Б.Н. Арзамасов. «Химико-термическая обработка металлов», М.: «Металлургия», 1985 г., с. 255).

Недостатком этого способа является длительность процесса, высокие температуры нагрева деталей и небольшая толщина диффузионного слоя, при этом концентрация легирующего элемента резко снижается от поверхности вглубь материала детали. Кроме того, при высоких температурах нагрева растет зерно аустенита, что приводит к снижению механических свойств стали и деформации изделий.

Известен способ нанесения покрытий (RU 2072282 C1, В23Н 9/00, опубл. 27.11.2008), заключающийся в осуществлении электроискрового легирования поверхности деталей вибрирующим электродом и пластического деформирования нанесенного покрытия торцовой поверхностью вращающегося диска. Для этого в диске выполняют сквозные пазы, через которые осуществляются контакты вибрирующего электрода с деталью, и частоту вибрации электрода согласуют с частотой следования пазов диска при его вращении. При реализации способа происходит деформирование нанесенного покрытия в пластичном состоянии.

Однако при нанесении твердосплавных покрытий снижается теплопроводность поверхности, что уменьшает теплоотвод и вызывает перегрев рабочего органа, снижение его твердости и, как следствие, уменьшение износостойкости.

Известен способ нанесения упрочняющего покрытия с армирующим эффектом (RU 2304185 C1, С23С 28/02, B22D 19/08, В23Н 9/00, опубл. 10.08.2007), включающий наплавку покрытия из твердого сплава на поверхность детали, а затем на полученное покрытие наносят новое покрытие методом электроискрового легирования.

Однако данный способ приводит к изменению фазового состава поверхности детали и способствует появлению микротрещин поверхности детали, а также увеличивает продолжительность и стоимость обработки.

Наиболее близким техническим решением и взятым за прототип является способ формирования износостойких покрытий по RU 2262553 С2, С23С 26/00, B22F 7/02, B22F 3/093, опубл. 20.10.2005, включающий нанесение на поверхность детали клеевого слоя, содержащего порошковый материал дисперсностью 0,1-50 мкм, смешанного с клеем до однородной массы, при следующем соотношении массовых процентов: порошковый материал 75-90; клей - остальное. Затем производят окончательную обработку высохшего клеевого слоя давлением, путем обкатки роликом и/или обработку ультразвуком, при этом рабочую поверхность инструмента перемещают относительно детали при вращательном или поступательном движении детали.

Недостатком способа является сложность технологического процесса, требующего специального оборудования и невысокая сцепляемость получаемого покрытия с поверхностью детали.

Целью изобретения является формирование покрытия на поверхности детали, на участках и зонах поверхности, испытывающих повышенные отрицательные воздействия, с регламентированными свойствами, ослабляющими или исключающими влияние отрицательных воздействий на деталь.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе формирования покрытия на поверхности детали, включающий нанесение на поверхность детали клеевого слоя из смеси, содержащей порошковый материал и клей при следующем соотношении, масс. %: порошковый материал 75-90, клей - остальное, после высыхания которой клеевой слой подвергают окончательной обработке, при этом используют порошковый материал с дисперсностью 0,1-500 мкм, клей в виде токопроводящего клея с удельным объемным сопротивлением не более 0,01 Ом⋅см, причем клеевой слой наносят толщиной не более 2,0 мм, а окончательную обработку осуществляют путем электроискрового легирования с энергией импульсов от 0,1 до 10,0 Дж.

Также клеевой слой на поверхности детали получают путем последовательного нанесения одного на другой нескольких слоев из смеси, содержащей в качестве порошкового материала разные вещества, с промежуточной сушкой каждого предыдущего слоя.

Сущность изобретения заключается в том, что отдельные участки и зоны детали, несущие при эксплуатации наибольшую нагрузку физического воздействия (давление, температура, истирание и т.п.), требуют формирования покрытия на поверхности детали увеличенной стойкости этих участков. При электроискровом легировании искра создает температуру, достигающую 20000°К (Бурумкулов Ф.Х. и др. Электроискровые технологии восстановления и упрочнения деталей машин и инструментов (теория и практика). Саранск, «Красный Октябрь», 2003, С. 11, Таблица 1.1). Проходя через клеевой слой, искра выжигает клеевую основу и, расплавляя материал порошка, часть его диффундирует в поверхностный слой материала детали, а часть остается в покрытии, создаваемом электроискровым легированием.

Размер частиц применяемого легирующего порошкового материала и энергия импульса электроискровой обработки определяют глубину диффузного слоя, а степень насыщения порошком клеевого слоя и толщина его нанесения на поверхность детали определяют количество введенного в покрытие легирующего элемента.

Для формирования покрытий на поверхности детали с различными физико-механическими свойствами, клеевой слой на поверхности детали получают путем последовательного нанесения одного на другой нескольких слоев из смеси, содержащей в качестве порошкового материала разные вещества, с промежуточной сушкой каждого предыдущего слоя.

Способ включает в себя следующие технологические операции:

- составление смеси из порошкового материала и токопроводящего клея;

- нанесение слоя клеевой смеси на участок детали;

- сушка нанесенного слоя;

- обработка участка детали с нанесенным слоем электроискровым легированием.

Способ осуществляется следующим образом.

Пример 1. Известно, что надежность кулачковых механизмов преимущественно определяется долговечностью кулачков, рабочая поверхность которых теряет работоспособность вследствие контактно-усталостного износа в процессе эксплуатации. Ранее было установлено также, что "зависимость износа от теплопроводности покрытия не носит монотонного характера … чем выше теплопроводность, тем ниже величина износа детали" (RU 2484180 С2, С23С 28/00).

При осуществлении предлагаемого способа упрочнение рабочей поверхности кулачка производили электроискровым легированием стандартным электродом из твердого сплава Т15К6 ГОСТ3882-74, а в качестве теплоотводящего материала применялась медь. Медный порошок марки ПМС-В (размеры частиц порошка 0,045-0,224 мм) ГОСТ 4960-2009 смешали с электропроводящим клеем Контактол Радио (удельное объемное сопротивление 0,01 Ом⋅см) в весовом соотношении 8:2 и нанесли на рабочую поверхность кулачка слоем толщиной 0,2-0,3 мм. Сушку клеевого слоя проводили на воздухе при комнатной температуре в течение 24 часов. Электроискровое легирование производили установкой для электроискрового легирования БИГ-5 ТУ 3312-001-02069964-2012 с обработкой на режиме №50, который характеризуется следующими показателями:

амплитудный ток 200 А длительность импульса 250 мкс энергия импульсов 1,8 Дж частота импульсов 200 Гц

После окончательной обработки кулачков электроискровым легированием проводился разрез кулачка и изготовлялся шлиф участка кулачка с покрытием. Толщина нанесенного покрытия составила 6,4±0,5 мкм. Микроскопический анализ шлифа показал, что медь в покрытии распределена по всему объему покрытия в виде мелких вкраплений. Твердость поверхности кулачков контролировали твердомером Бринелля ТН 600. Твердость участков кулачков с покрытием легированием, созданным в соответствии с изобретением, составила 426 НВ.

Кроме того, проводили измерение теплопроводности кулачка косвенным способом, используя методику, приведенную в (Лившиц Б.Г. и др. Физические свойства металлов и сплавов. - М.: Металлургия, 1980. - 320 с.) Теплопроводность покрытия твердым сплавом Т15К6 известным способом составила 0,46 Вт/см⋅К, а с добавкой меди с использованием способа в соответствии с изобретением - 0,71 Вт/см⋅К, что привело к увеличению износостойкости кулачка не менее чем на 15%.

Пример 2. Исследования, представленные в источнике (Наноструктурирование поверхности стали электроискровой обработкой новыми электродными материалами на основе карбида вольфрама. Николенко С.В. и др. Электронная обработка материалов. - №47(3) - 2011, С. 28-35), показали, что добавка Al₂O₃ в количестве 1 мас. % в сплав ВК8 увеличивает по сравнению со стандартным сплавом ВК8 суммарный массоперенос и эффективность процесса формирования легированного слоя почти в 3 раза, а микротвердость легированных слоев превышает в 3-4 раза микротвердость стали 35.

По предлагаемому способу введение оксида алюминия в наносимую электроискровым легированием поверхность проводили приготовлением смеси из 75% порошка оксида алюминия (глинозема) ГК-4 ГОСТ 30559-98 и 25% электропроводящего клея НТК (удельное объемное электрическое сопротивление 0,05-0,08 Ом⋅см). Смесь наносили на поверхность детали из стали 35 слоем 0,5±0,1 мм и производили сушку нанесенного слоя. Электроискровое легирование проводили установкой БИГ-5 на 10 режиме обработки:

амплитудный ток 120 А длительность импульса 50 мкс энергия импульсов 0,11 Дж частота импульсов 1600 Гц

После электроискровой обработки толщина нанесенного слоя составила 5,7±0,5 мкм. Измеренная твердость поверхностного слоя детали показала, что твердость поверхности детали с упрочненным слоем оказалась равной 495 НВ, что в 3 раза больше, чем неупрочненного (твердость 161 НВ).

Предлагаемый способ дает возможность оперативно формировать покрытие с регламентированными свойствами, при этом он имеет ряд преимуществ перед аналогами и прототипом, а именно:

- позволяет формировать покрытия на конкретных участках поверхности детали;

- при формировании покрытия детали не подвергаются экстремальным физическим воздействиям;

- способ дает возможность производить упрочнение деталей механизма на месте эксплуатации, не удаляя деталь из механизма и не разбирая механизм;

- способ позволяет рационально использовать легирующие элементы, нанося их точное количество на участок поверхности детали независимо от сложности рельефа поверхности детали;

- сформированное покрытие имеет большую степень сцепляемости с материалом детали «… прочность сцепления покрытий, образованных электроискровой обработкой находится на уровне наплавочных методов» (Ф.X. Бурумкулов и др. Электроискровые технологии восстановления и упрочнения деталей машин и инструментов (теория и практика). - Саранск: Тип. «Крас. Окт.», 2003. - С. 104). «Отслоение нанесенных на металлические поверхности покрытий электроискровым способом не наблюдается» (там же, С. 38).

- при реализации способа применяются распостраненные материалы и серийно выпускаемые установки для электроискрового легирования.

Изобретение относится к области электрофизических методов обработки материалов, в частности к электроискровому легированию, и может быть использовано для получения покрытий с регламентированными свойствами. Способ включает нанесение на поверхность детали клеевого слоя из смеси, содержащей порошковый материал и клей при следующем соотношении, мас. %: порошковый материал 75-90, клей - остальное, после высыхания которой клеевой слой подвергают окончательной обработке, причем используют порошковый материал с дисперсностью 0,1-500 мкм, клей в виде токопроводящего клея с удельным объемным сопротивлением не более 0,01 Ом⋅см. Клеевой слой наносят толщиной не более 2,0 мм, а окончательную обработку осуществляют путем электроискрового легирования с энергией импульсов от 0,1 до 10,0 Дж. Изобретение обеспечивает возможность придавать формируемому покрытию регламентированные дополнительные физико-механические свойства. 1 з.п. ф-лы, 2 пр.

1. Способ формирования покрытия на поверхности детали, включающий нанесение на поверхность детали клеевого слоя из смеси, содержащей порошковый материал и клей при следующем соотношении, мас. %: порошковый материал 75-90, клей - остальное, после высыхания которой клеевой слой подвергают окончательной обработке, отличающийся тем, что используют порошковый материал с дисперсностью 0,1-500 мкм, клей в виде токопроводящего клея с удельным объемным сопротивлением не более 0,01 Ом⋅см, причем клеевой слой наносят толщиной не более 2,0 мм, а окончательную обработку осуществляют путем электроискрового легирования с энергией импульсов от 0,1 до 10,0 Дж.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что клеевой слой на поверхности детали получают путем последовательного нанесения одного на другой нескольких слоев из смеси, содержащей в качестве порошкового материала разные вещества, с промежуточной сушкой каждого предыдущего слоя.