Способ поверхностного упрочнения материалов

СООЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 771441 АЗ 4 В 39/00 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ НТ институт В.С.ГаряВ,С,ГаряГ, Защитакого рэзру - 54. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(56) Бабей Ю,И, и Сопрунюк Нстали от коррозионно-механичешения, Киев, Техника, 198"с. 5 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 совместноо действия высоких давлений 3000 МПа - 5000 МПа (30000- -50000 кг/см 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 обес(54) СПОСОБ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ(57) Использование: обработка металлов давлением, упрочнение металлов поверхностной обработкой. Сущность изобретения: в зону обработки подают материал со скоростью, составляющей 4 10 -3 10 отлиней, 3ной 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. печивало сдвиговую деформацию) радикально изменяются практически все свойства исследуемых материалов. Это обьясняется тем, что при таком способе обработки происходит дробление и 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 Бриджмена - 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 относидой закаленной) поверхности нзлипанием (сваривзния) материалов сопрягаемых дета. лей, что объясняется повышенной здгезией особенно в условиях полусухого 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 межатомньтх и межмолекулярных связей.Таким образом, увеличение только твердости не является решением вопросаповышения износостойкости, а увеличениеглубины ззкаланного слоя также не даетзначительной олзы,Нзиболее близким техническим реше"нием является способ упрочнения плоских 40 тельном Осевом перемещении инструментов и детали, при этом поверхностное пластическое деформтлровзние осуществляютперед нагревом детали, в качестве инструмента трения выбирз от диск трения и задают ему окружную скорость, рзвнуто 100-120м/с, детали сообщатот окружную скорость0,003 - 0,03 м/с, усилие прижатия диска трения и деформирующего ролика выбираютравным 0,1-0.2 КН/мм толщины диска трения на обооот детали 33.Если считать, что мощность Йт-, которую необходимо затратить на изменениесвойств материала, зависит от его характеристик и является сопзт, то можно записать: 15Ю =Я р+Р/о,где Юр - мощность, затрачиваемая на создание давления;Юо - мощность, необходимая для деформации сдвига, то следовательно, известный способ (по а,с. СССР гт. 1230807) 20является вариацией аналогов. когда уменьшение одного слагаемого Юр компенсируется соответствующим увеличением.второго слагаемого Яо, При этом цель изобретения - повышение износостойкости - 25достигается увеличением глубины закаленного слоя, т.е. слоя с повышенной по сравнению с исходными свойствамиобрабатываемого материала твердостью,Однако повышение одной только твердости 30(закалка) поверхности, например, детали,работающей в условиях трения, не дает желаемого результатаИзносостойкость должна оцениватьсяпо 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 твердеталей как ободом, так и торцовой плоскостью диска, установленного на заточных,плоскошлифовальных, строгальных, фрезерных станках. При этом для обеспечениязакаленного слоя использовали следующиережимы обработки: окружная скорость диска 55-65 м/с, подача 0,05-0,07 м/с, глубинарезания 0,05 - 0,15 мм Ц и получали упрочненный слой глубиной 30 - 160 мкм, обладаощий высокой твердостью со структуроймелкоигольчатого аустенита и мартенсита сповышенным содержанием углерода.Однако этот способ обладает следующими недостатками. Аустенитно-мартенситная структура имеет вид отдельныхблоков и зерен и несмотря на их измельченность, не обеспечивает комплексного изменения качеств обработанной поверхности,т.к. по границам блоков возможно и осуществляется зарождение и движение дислокаций, что снижает механическую прочностьобработанного слоя. Коррозионная стойкость также недостаточно высока по тем жепричинам - наличие границ между блокамии зернами. Этими же причинами обьясняется высокая адгезионная способность обработанных слоев, что вызывает охватываниеи резаную интенсификацию износа пары трения, особенно пар, работающих в условияхполусухого трения и высоких удельных нагрузок.Кроме того, режимы изменяются дискретно, что не позволяет миыимизировать затраты мощности на обработку приполучении оптимальных сочетаний свойствобработанного слоя.Целью изобретения является повышение износостойкости за счет создания поверхностного аморфного слоя максимальновозможной глубины с минимальными адгезионными свойствами,Указанная цель достигается тем, что вспособе поверхностного упрочнения материалов путем подачи материала с фиксированной скоростью в зону обработки иповерхностного деформирования вращающимся инструментом трения при его заглублении на фиксированную величину,согласно изобретению заглубление выбирают равным 0,012-0,04 мм, подачу металла взону обработки осуществляют со скоростью4 10 -3 10 от линейной скорости инстру.змента трения, а деформирование инструментом трения осуществляют при еголинейной скорости вращения 81 - 99 м/с.При поверхностной обработке быстроврзщзющимся диском в указанных режимахв рабочей зоне обработки наблюдается механизм формирования структурного состояния материала - механизм5 10 15 20 миллиметров 25 30 35 40 45 55 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 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 быстровращающимся 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-строгал ьного или продольнофрезерного станка с воэможностью вертикального перемещения для установки и регулирования величины заглубления е 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 обрабатывают поверхность шщтным режущим инструментом для обеспечения параллельности ее траектории движения торцевой поверхности диска. Это необходимо для того, чтобы величина заглубления диска при проведении 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 стола - подача -обеспечивается реконструированным механизмом подачи, т.е, таким механизмом, который бы позволял плавную регулировку подачи в диапазоне от 4 10 -3 10 от линейной скорости диска-4 , -3трения, 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 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. Далее диск опускается на величину, равную заданному заглублению+0,1 мм, перемещается перпендикулярно движению подачи на ширинудиска и повторяется операция обработки.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 из режимов обработки, наиболее точной будет регулировка подачи. Хотя в первоначальные моменты настройки установки возможно этими. же методами акустической эмиссии подбирать и оптимальную скорость вращения диска, а в дальнейшем, тонкая регулировка осуществляется плавным изменением подачи.Испытания осуществлялись в трех диапазонах скоростей диска трения.50-70 м/с - по прототипу;81-99 м/с - по заявляемым;100-120 м/с - по аналогу (а.с, В 1230807)и проводились на установке высокоскоростного 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 контак(удельная мощность), Бт/мм. та диска с обрабатываемой деталь Составитель Техред М,Мо ректор Т.Вашкович еда каз 3752 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С 113035, Москва, Ж. Раушская наб 4/5 иэводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 1 та 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 АЖ 9-4,Адгезионные свойства определялись отношением сВ/% напряжения адгезии образца бо, обработанного трением, к напряжению адгезии Оэ 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 одновременным снижением способности обработаннь 1 х поверхностей к схватыванию.Глубина слая с аморфной структурой колебалась в диапазоне от 0,2 до 2,0 мм. Даже если показатели обработанного заявляемым.способом слоя (за исключением конечно его структуры) оказываются близкими или одинаковыми с прототипам, то и в этих случаях имеется и существенная разница в минимальных затратах мощности обработ ки и снижений адгезионной способности,что увеличивает износостойкость на 15- 30%Ф ор мул а изобретения Способ поверхностного упрочнения ма териалов путем подачи материала с фиксированной скоростью в зону обработки и поверхностного деформирования вращающимся инструментом трения при его заглублении на фиксированную величину, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышенияиэносостойкости путем создания поверхностного аморфного слоя максимально возможной глубины" с минимальными адгезионными свойствами, величину за глубления выбирают равной 0,012 - 0,04 мм,подачу металла в зону деформации осуществляют со скоростью равной 4 10 4-3 10 э линейной скорости вращающегося инструмента трения, а деформирование инстру ментом трения осуществляют при еголинейной скорости вращения 81 - 99 м/с.