Способ поверхностного упрочнения материалов Советский патент 1992 года по МПК B24B39/00 

Изобретение относится к поверхностной обработке материалов для комплексного изменения их свойств, в частности к способам обработки поверхностей металлических деталей.

Известно, например, что воздействие высокого давления совместно с деформацией сдвига на металлы приводит к интенсивному дроблению кристаллов 1.

Изучение совместного действия высоких давлений 3000 МПа - 5000 МПа (30000- -50000 кг/см2 и сдвиговых деформаций осуществлялось обработкой на гидравлическом прессе с механизмом поворота рабочего органа.

Известны способы обработки материалов совместным воздействием высокого давления и деформации сдвига 2, для них характерно, что при давлениях 2000-8000 МПа и относительном вращении наковален Бриджмена на углы от 60 до 600° (что обеспечивало сдвиговую деформацию) радикально изменяются практически все свойства исследуемых материалов. Это объясняется тем, что при таком способе обработки происходит дроблением смешение материалов на молекулярном и даже атомарном уровне. Таким образом, открываются возможности получения материалов с уникальными свойствами. Однако все известные способы осуществлялись на уникальном оборудовании, обеспечивающем высокие давления, на образцах весьма незначительных размеров (диаметр наковален Бриджменз - 20 мм) и при медленном деформировании (десятки или сотни секунд). Известен способ поверхностного упрочнения деталей, при котором деталь нагревают с одновременным упрочнением инструментом трения и подвергают поверхностному пластическому деформированию роликом и закалке при вращении и относич vj

4

N

СО

тельном осевом перемещении инструментов и детали, при этом поверхностное пластическое деформирование осуществляют перед нагревом детали, в качестве инструмента трения выбирают диск трения и задают ему окружную скорость, равную 100-120 м/с, детали сообщают окружную скорость 0,003-0,03 м/с, усилие прижатия диска трения и деформирующего ролика выбирают равным 0,1-0,2 КН/мм толщины диска трения на оборот детали 3.

Если считать, что мощность Wg, которую необходимо затратить на изменение свойств материала, зависит от его характеристик и является const, то можно записать:

Wr Wp+Wo,

где Wp - мощность, затрачиваемая на создание давления;

WD - мощность, необходимая для деформации сдвига, то следовательно, известный способ (по а.с. СССР № 1230807) является вариацией аналогов, когда уменьшение одного слагаемого Wp компенсируется соответствующим увеличением второго слагаемого WD. При этом цель изобретения - повышение износостойкости - достигается увеличением глубины закаленного слоя, т.е. слоя с повышенной по сравнению с исходными свойствами обрабатываемого материала твердостью. Однако повышение одной только твердости (закалка) поверхности, например, детали, работающей в условиях трения, не дает желаемого результата..

Износостойкость должна оцениваться по суммарной стойкости пары трения, а в этом случае, когда твердость одной детали высока, идет интенсивный износ второй (сопрягаемой) детали. Более того, абразивный износ активизируется разрушением твердой (закаленной) поверхности налипанием (сваривания) материалов сопрягаемых де га- лей, что объясняется повышенной адгезией особенно в условиях полусухою и сухого трения. Разрушение закаленных поверхностей адгезией объясняется тем, что при пластической деформации поверхностного слоя в нем образуется блочная внутренняя структура, з прочностные характеристики поверхности зависят от силовых взаимодействий блоков кристаллов, что значительно меньше сил межатомных и межмолекулярных связей.

Таким образом, увеличение только твердости не является решением вопроса повышения износостойкости, а увеличение глубины закаленного слоя также не даст значительной пользы.

Наиболее близким техническим решением является способ упрочнения плоских

деталей как ободом, так и торцовой плоскостью диска, установленного на заточных, плоскошлифовальных, строгальных, фрезерных станках. При этом для обеспечения

закаленного слоя использовали следующие режимы обработки: окружная скорость диска 55-65 м/с, подача 0,05-0,07 м/с, глубина резания 0,05-0,15 мм 1 и получали упрочненный слой глубиной 30-160 мкм, облада0 ющий высокой твердостью со структурой мел ко игольчатого аустенита и мартенсита с повышенным содержанием углерода.

Однако этот способ обладает следующими недостатками. Аустенитно-мартен5 ситная структура имеет вид отдельных блоков и зерен и несмотря на их измельчен- ность, не обеспечивает комплексного изменения качеств обработанной поверхности. т.к. по границам блоков возможно и осуществляется зарождение и движение дислока0 ций. что снижает механическую прочность обработанного слоя. Коррозионная стойкость также недостаточно высока по тем же причинам - наличие границ между блоками и зернами. Этими же причинами объясняет5 ся высокая адгезионная способность обработанных слоев, что вызывает схватывание и резкую интенсификацию износа пары трения, особенно пэр, работающих в условиях полусухого трения и высоких удельных на0 грузок.

Кроме того, режимы изменяются дискретно, что не позволяет минимизировать затраты мощности на обработку при получении оптимальных сочетаний свойств

5 обработанного слоя.

Целью изобретения является повышение износостойкости за счет создания поверхностного аморфного слоя максимально возможной глубины с минимальными адге0 знойными свойствами.

Указанная цель достигается тем, что в способе поверхностного упрочнения материалов путем подачи материала с фиксированной скоростью в зону обработки и

5 поверхностного деформирования вращающимся инструментом трения при его заглуб- лении на фиксированную величину, согласно изобретению заглубление выбирают равным 0,012-0,04 мм, подачу металла в

0 зону обработки осуществляют со скоростью 4-10 от линейной скорости инструмента трения, а деформирование инструментом трения осуществляют при его линейной скорости вращения 81-99 м/с.

5 При поверхностной обработке быстро- вращающимся диском в указанных режимах з рабочей зоне обработки наблюдается механизм формирования структурного состоя- няя материала - механизм

циркуляционного трения. Этот механизм характеризуется движением частиц материала обрабатываемой поверхности по замкнутой кривой типа эллипсоида, прилегающего с одной стороны к торцевой поверхности диска трения, а большей частью своей поверхности находящегося в глубине обрабатываемой поверхности.

Механизм циркуляционного трения при минимальных энергетических затратах реализует максимально возможное измельчение частиц обрабатываемого материала до молекулярного или даже атомарного уровней и их перемешивание на достаточно большую глубину, определяемую высотой зоны активного движения частиц.

При этом в результате обработки получаются слои материала с аморфной структурой глубиной до 2,0 и более миллиметров.

Такой способ обеспечивает возможность модификации обрабатываемой поверхности различными веществами на всю высоту зоны циркуляционного трения, что невозможно при любых других способах обработки и, что очень важно, модификаторы (вещества, вносимые в зону обработки) измельчаются до указанных выше пределов и образуют (по существу) с материалом основы твердые растворы при минимальных затратах энергии на обработку.

При изменении режимов обработки выше или ниже указанных пределов изменяется энергия, подводимая в зону трения: при снижении 81 м/с скорости обработки - увеличиваются, при росте скорости 99 м/с обработки - увеличивается. А именно количество подводимой в рабочую зону энергии будет определять и определяет вид трения в этой зоне, таким образом, уменьшение скорости 81 м/с обеспечивает только режим внешнего трения, а увеличение скорости 99 м/с провоцирует режимы фрикционного резания.

Предлагаемый способ обработки поверхностей материалов может быть реализован следующим образом.

Обработку ведут бысгровращающимся диском трения с индивидуальным приводом, обеспечивающим возможность плавного регулирования скорости вращения (например, посредством тиристорного управления). Диск с приводом может быть установлен, например, на стойке продольно-строгального или продольно- фрезерного станка с возможностью вертикального перемещения для установки и регулирования величины заглубления ff обрабатываемую деталь. Привод диска обеспечивает плавное регулирование его

скорости вращения в диапазоне от 81 м/с до 99 м/с.

Деталь закрепляют на поступательно- движущемся столе и предварительно обрабатывагат поверхность штатным режущим инструментом для обеспечения параллельности ее траектории движения торцевой поверхности диска. Это необходимо для того, чтобы величина заглубления диска при про0 ведении фрикционно-упрочняющей обработки была одинаковой на всей длине обработки и соответствовала выбранному режиму от 0,012 до 0,04 (в зависимости от материала). Поступательное движение сто5 ла - подача - обеспечивается реконструированным механизмом подачи, т.е. таким механизмом, который бы позволял плавную регулировку подачи в диапазоне от 4-10 4-3-10 3 от линейной скорости диска

0 трения. Включают привод вращения диска, устанавливают его над обрабатываемой поверхностью и плавно опускают на деталь до касания. После чего отводят диск до горизонтали за габариты детали, опускают его

5 вниз, задавая заглубление, и включают подачу. После обработки одной дорожки автоматически поднимают диск на высоту, большую чем заглубление на 0,1 мм и возвращают деталь в исходное положение. Да0 лее диск опускается на величину, равную заданному заглублению+0,1 мм, перемещается перпендикулярно движению подачи на ширину диска и повторяется операция обработки.

5 Во время выполнения рабочей операции контроль за наличием циркуляционного трения в зоне обработки осуществляют, например, методами акустической эмиссии и по их показаниям корректируют какой-либо

0 из режимов обработки, наиболее точной будет регулировка подачи. Хотя в первоначальные моменты настройки установки возможно этими же методами акустической эмиссии подбирать и оптимальную скорость

5 вращения диска, а в дальнейшем, тонкая регулировка осуществляется плавным изменением подачи.

Испытания осуществлялись в трех диапазонах скоростей диска трения.

050-70 м/с - по прототипу;

81-99 м/с - по заявляемым; 100-120 м/с - по аналогу (а.с. № 1230807) и проводились на установке высокоскорост5 ного трения с диском шириной 20 мм скорость подачи металла в зону изменялась в пределах 2-24 мм/с. Заглубление диска в металл варьировалось от 0,012 до 0,037 мм. В качестве энергетического параметра использовалась усредненная по пятну контакта диска с металлом удельная мощность трения. Она находилась как отношение мощности, затрачиваемой при обработке образца к площади контакта металла с инструментом. Толщина получаемого при обработке слоя и характер пластической деформации металла в процессе его обработки определялись металлографическим способом. Обрабатывались плоские образцы из бронзы АЖ9-4.

Адгезионные свойства определялись отношением о&Лгэ напряжения адгезии образца Go. обработанного трением, к напряжению адгезии Сэ эталонных образцов. Были получены следующие результаты (см. таблицу).

Из таблицы видно, что при обработке быстровращающимся диском в заявляемом режиме наблюдается явное снижение удельной мощности обработки с одновре- менным снижением способности обработанных поверхностей к схватыванию.

Глубина слоя с аморфной структурой колебалась в диапазоне от 0,2 до 2,0мм. Даже если показатели обработанного заявляв- мы м способом слоя (за исключением конечно его структуры) оказываются близкими или одинаковыми с прототипом, то и в этих случаях имеется и существенная разница в минимальных затратах мощности обработки и снижений адгезионной способности, что увеличивает износостойкость на 15- 30%.

Формула изобретения Способ поверхностного упрочнения материалов путем подачи материала с фиксированной скоростью в зону обработки и поверхностного деформирования вращающимся инструментом трения при его заглублении на фиксированную величину, отличающийся тем, что, с целью повышения износостойкости путем создания поверхностного аморфного qлoя максимально возможной глубины - с минимальными адгезионными свойствами, величину заглубления выбирают равной 0,012-0,04 мм, подачу металла в зону деформации осуществляют со скоростью равной 4 10 -3110 3 линейной скорости вращающегося инструмента трения, а деформирование инструментом трения осуществляют при его линейной скорости вращения 81-99 м/с.

Использование: обработка металлов давлением, упрочнение металлов поверхностной обработкой. Сущность изобретения: в зону обработки подают материал со скоростью, составляющей 4 10 4-3 10 от линейной скорости вращающегося инструмента трения. Заглубление инструмента выбирают равным 0,012-0,04 мм. а деформирование осуществляют при линейной скорости вращения инструмента, равной 81-99 м/с. 1 табл.

Здесь

V - линейная скорость обработки, м/с; Go/Сэ уменьшение адгезионной способности;

ш-мощность обработки, отнесенная к площади контакта диска с обрабатываемой деталью (удельная мощность), Вт/мм .