Способ поверхностного упрочнения материалов

 

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.

СО!ОЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 В 24 В 39/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

2 (21) 4858915/27 (22) 13.08.90 (46) 23.10,92. Бюл. М 39 (71) Сибирский металлургический институт им. Серго Орджоникидзе (72) А.Н.Савельев, В П.Полухин и В.С.Гаряшин (73) А.Н,Савельев, B.Ï.Ïîëóõèí и В.С.Гаряшин (56) Бабей Ю.И, и Сопрунюк Н,Г. Защита стали от коррозионно-механического разрушения, Киев, Техника, 198"„с. 52-54.

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/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 (2j, для них характерно, что при давлениях 2000-8000

МПа и относительном вращении наковален

Бриджмена на углы от 60 до 600 (что обес„„5U 1771441 АЗ (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-4, 3 ной 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 ф „ уникальными свойствами. Однако все изве- ф стные способы осуществлялись на уникальном оборудовании, обеспечивающем; высокие давления, на образцах весьма незначительныхразмеров(диаметр наковален б

Бриджмена — 20 мм) и при медленном де- 64 формировании (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 относительном Осевом перемещении инструментов и детали, при этом поверхностное пластическое деформирование Осуществляют перед нагревом детали, в качестве инструмента трения выбирсчот диск трения и задают ему окружную скорость, равну о 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 обаоот детали (3).

Если считать, что мощность 1/ч -, которую необходимо затратить на изменение свойств материала, зависит or его характеристик и является const, то можно записать:

W -Wp+Wp, где Wp — мощность, затрачиваемая на создание давления;

Иа — мощность, необходимая для деформации сдвига, то следовательно, известный способ (по а,с. СССР М 1?30807) является вариацией аналогов, когда уменьшение одного слагаемого Wp компенсируется соответствующим увеличением второго слагаемого Nfo. При этом цель изобретения — повышение изнасастойкости— 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

BblcoKG, идет интенсивный износ BTopoA(co прягаемой) детали. Более того, абразивный износ активизируется разрушением твердой (закаленной} поверхности налипанием (сваривания) материалов сопрягаемых деталей, что объясняется повышенной адгезией 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, а прочностные характеристики поверхности зависят от силовых взаимодействий блоков кристаллов, что значительно

1eHbLuG сил межатомных и межмолекулярных связей.

Таким образом, увеличение только твердости не является решением вопроса повышения изнасостойкости, а увеличение глубины закаленного слоя также не дает значительной пользы, Наиболее близким техническим решением является способ упрачнения плоских ванной скоростью в зону обработки и

45 поверхностного деформирования вращающимся инструментам трения при его заглублении на фиксированную величину, согласно изобретению эаглубление выбира от равным 0,012-0,04 мм, подачу металла в

50 зону обработки осуществляют со скоростью

4 10 -3 10 от линейной скорости инстру-з мента трения, а деформирование инструментом трения осуществляют при его линейной скорости вращения 81 — 99 м/с.

55 При поверхностной обработке быстровращающимся диском в указанных режимах в рабочей зоне обработки наблюдается механизм формирования структурного состояния материала — механизм

40 деталей как ободом, так и торцовой плоскостью диска, установленного на заточных, пласкошлифовальных, 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, обладающий высокой твердостью со структурой мелкоигольчатаго аустенита и мартенсита с повышенным содержанием углерода.

Однако этот способ обладает следующими недостатками. Аустенитно-мартенситная структура имеет вид отдельных блоков и зерен и несмотря на их измельченность, не обеспечивает комплексного изменения качеств обработанной поверхности, т.к. па границам блоков возможно и осуществляется зарождение и движение дислокаций, что снижает механическую прочность обработанного слоя. Коррозионная стойкость также недостаточно высока по тем же причинам — наличие границ между блоками и зернами. Этими же причинами обьясняется высокая адгезионная способность обработанных слоев, что вызывает ахватывание и резкую интенсификацию износа пары трения, особенно пар, работающих в условиях полусухого трения и высоких удельных нагрузок.

Кроме того, режимы изменяются дискретно, что не позволяет миыимизировать затраты мощности на обработку при получении оптимальных сочетаний свойств обработанного слоя.

Целью изобретения является повышение износостойкости за счет создания поверхностного аморфного слоя максимально возможной глубины с минимальными адгезианными свойствами, указанная цель достигается тем, что в способе поверхностного упрочнения материалов путем подачи материала с фиксира1771441

10 15

20 миллиметров

40

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-строгального 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 поступательнодвижущемся столе и предварительно обрабатывают поверхность ватным 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 . -3 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 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 — no прототипу;

81-99 м/с — по заявляемым;

100-120 м/с — no аналогу (а.с, М

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 контак1771441

Здесь

V — линейная скорость обработки, м/с;

ОоИ вЂ” уменьшение адгеэионной способности; с)-мощность обработки, отнесенная к площади контакта диска с обрабатываемой деталью (удельная мощность), Бт/мм .

Составитель

Техред М,Моргентал Корректор Т.Вашкович

Редактор

Заказ 3752 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 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 ега обработки определялись металлографическим способом. Обрабатывались плоские образцы из бронзы

АЖ9-4, Адгезионные свойства определялись отношением oo/оэ напряжения адгезии образца Go, обработанного трением, к напряжению адгезии Ge эталонных образцов.

Были получены следующие результаты (см. таблицу).

Из таблицы видна, чта при обработке быстровращающимся диском в заявляемом режиме наблюдается явное снижение удельной мощности обработки с одновременным снижением способности обрабатаннь1х поверхностей к схватыванию.

Глубина слал с аморфной структурой голебалась в диапазоне ат 0,2 да 2,0 мм. Даже если показатели обработанного заявляемым.способам 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 абработ5 ки и снижений адгезионной способности, что увеличивает износостойкость на 1530 оУ, Формула изобретения

Способ поверхностного упрочнения ма10 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 и15 ч а )о шийся тем, чта, с целью повышения иэносостойкости путем создания поверхностного аморфного слоя максимально возможной глубины" с минимальными адгезионными свойствами, величину за20 глубления выбира ат равной 0,012 — 0,04 мм, подачу металла в зону деформации осуществляют са скоростью равной 4 10 4-3 10 э линейной скорости вращающегося инструмента трения, а деформиравание инстру25 ментом трения осуществляют при его линейной скорости вращения 81 — 99 м/с.