Способ упрочнения поверхности детали из материала, образующего защитное оксидное покрытие

 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при формообразовании резанием материалов, образующих защитное оксидное покрытие, с одновременным упрочнением их поверхности. Сущность изобретения: способ упрочнения поверхности детали из материала, образующего защитное оксидное покрытие, включает нагрев поверхности детали трением обрабатывающим режущим инструментом и подачу водного раствора в зону резания причем в качестве водного раствора используют Т ,34 - 18,66 мас% раствор пероксида водорода в воде, а нагрев поверхности осуществляют до температуры не ниже 0,4 температуры плавления обрабатываемого материала 1 табл.

(19) КЯ (11) (51) 5 С23С 8 1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К ПАТЕНТУ

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам

{21) 5047230/02

{йф 68.0492

{46) 30.1693 Бел, йв 39-40

{УЩ Ааекеев ВА; Ашурлы 3.И„Нарусбек ЭА; Ямттовавот ВИ

{ЩОбщесао с ограюенной ответствевюстью

Мцвеетао"

{Щмэюсо@миинккия повн хности

ДфТМЮ N3 ЮИРИАЛА, ОБРАЗУЮЩЕГО

3N3QITHOE ОЮФИДНОЕ ПОКРЫТИЕ

{О} Изобретение относится к машиностроению и макет быть использовано при формообразовании резавшем материалов, образующих защитное ок. фф сидное покрытие, с одновременным упрочнением их поверхности. Сущность изобретения: способ ут рочнения поверхности детали из материала, образующего защитное оксидное покрытие, включает нагрев поверхности детали трением обрабатьеающим режущим инструментом и подачу водного раствора в зону реэанищ причем в качестве водного раствора используют 134 — 18,66 мас% раствор пероксида водорода в воде, а нагрев поверхности осуществляют до температуры не ниже 0,4 температуры плавления обрабатываемого материала 1 табл.

200196G

Изобретение относится к машиностроению и оптической промышленности, в частности к формированию резанием материалов, образующих защитное оксидное покрытие, с одновременным упрочнением обрабатываемой поверхности, например, формообразование резанием леэвийным инструментом оптической поверхности концентратора иэ алюминия с одновременным созданием на его оптической поверхности слоя оксида алюминия, Применяемые в настоящее время для производства концентраторов гелиоустановок материалы, преимущественно алюминий и его сплавы. являются химически активными и механически непрочными соединениями, что приводит к по крайней мере двум негативным факторам, оказывающим существенное влияние на эксплуатационные характеристики и технологию изготовления концентраторов гелиоустановок, Во-первых, при взаимодействии химически активной свежеполированной поверхности с различными органическими соединениями типа денатурат, ПАВЫ, бензин, пек-канифольные смолы, СОЖ и т, и„ используемыми в технологии изготовления и очистке элементов, на оптической поверхности образуются различные соединения алюминия, а также магния, цинка и других добавок, входящих в сплавы алюминия, с органическими соединениями, которые приводят к снижению корроэионной стойкости оптических элементов к воздействию неблагоприятных климатических факторов при их эксплуатации, а также к снижению коэффициента отражения в видимой области спектра, что в свою очередь значительно снижает КПД гелиоустановок, ресурс их работь! .

Во-вторых, при алмазном точении (лезвийная обработка резанием) детали иэ столь мягкого, пластичного и текучего материала затрудняется эффективное высокоскоростное использование алмазного резца именно иэ-за этих свойств, так как происходит налипание вязкого алюминия на резец в процессе резания, в то время как использование алмазного резца для оптической обработки, например. хрупкого и высокопрочного материала, который под действием резца разрушается сразу и удаляется, а не пластически деформируется и налипает на резец, затрудняя или делая невозможной обработку материалов типа алюминия, значительно повышает скорость, эффективнпс;ь и качество обработки.

Известен способ упрочнения поверхности изделий. включающий нагрев поверхности детали трением обрабатывающим

55 инструментом, в качестве которого используют быстровращающийся диск из титана или его сплавов, до диффузионно-активных температур и подаче полимерной среды, состоящей иэ отходов полиэтилена типа Г, беназола (II), хлорпарафина, продукта хлорсульфидирования монохлористой серой полибутена мол. м. 600 — 900 и минерального масла И-5А.

Однако известный способ, используя при обработке изделия полимерную среду, не позволяет получать оптическую поверхность с высокими отражающими механическими и противокоррозионными свойствами из-эа ее высокой науглероженности и насыщенности хлором и серой в результате такой обработки, которые имеют значительное поглощение в видимой области спектра и не обеспечивают повышения химической и механической стойкости обрабатываемой поверхности, в том числе к другим органическим веществам, используемым при изготовлении изделий и п рисутствующим в атмосфере (атмосферная коррозия). Обработка поверхности быстровращающимся титановым диском не позволяет обеспечивать формообразование оптических поверхностей высокого класса с одновременным упрочнением обрабатываемой поверхности.

Наиболее близким по технической сущности (прототипом) является способ упрочнения режущего инструмента, включающий нагрев путем резания стали и диффузионное насыщение путем подачи полимерной среды, содержащей 10 -ную суспензию полиэтилена низкого давления в 5 -ной водной эмульсии змульсала, в зону резания.

Однако известный способ, используя при обработке изделия полимерную среду, не позволяет получать оптическую поверхность с высокими отражающими механическими и противокоррозионными свойствами из-за ее высокой науглероженности и насыщенности фосфором и азотом в результате такой обработки, которые имеют значительное поглощение в видимой области спектра и не обеспечивают повышения механической и химической стойкости обрабатываемой поверхности, в там числе к другим органическим веществам, используемым при изготовлении изделий. и присутствующим в атмосфере (атмосферная коррозия).

Достигаемым техническим результатом предполагаемого изобретения является повышение механической прочности и антикоррозионных свойств упрочненного слоя при сохранении оптических свойств поверхности детали.

2001966 о

2Hz0z - 2Hz0+ 0z.

Технический результат достигается тем, что в известном способе упрочнения поверхности детали из материала, образующего защитное оксидное покрытие, включающем нагрев поверхности детали трением обрабатывающим режущим инструментом и подачу водосодержащей среды в зону резания, в отличие от прототипа, в качестве водосодержащей среды используют раствор пероксида водорода в воде, а нагрев поверхности осуществляют до температуры не ниже 0,4 температуры плавления обрабатываемого материала (T»).

Механизм предложенного способа упрочнения поверхности детали из материала. образующего защитное оксидное покрытие, заключается в следующем.

В зоне обработки резанием происходит термическое разложение пероксида водорода в подаваемом в зону растворе по реакции:

Выделяющийся в результате этой реакции кислород, взаимодействуя с обрабатываемым материалом, образует оксид, имеющий большую механическую прочность и химическую стойкость по сравнению с чистым материалом и защищающий поверхность от механических повреждений и коррозий, например, Alz03, Ti0z, Zr0z, МоОг, W0z, Si0z и т. д.

Образующийся оксид, являясь более стойким к инертным, чем обрабатываемый материал, повышает механическую прочность образованной оптической поверхности и препятствует ее взаимодействию с органическими соединениями в процессе дальнейшей технологической обработки (очистки), хранении и т. и. и повышает корроэионную стойкость оптической поверхности к воздействию неблагоприятных климатических факторов, что в совокупности позволяет сохранять длительное время высокую отражательную способность концентраторов гелиоустановок в процессе эксплуатации, увеличивает ресурс их работы.

Причем, применяемый для обработки деталей метод лезвийной обработки резанием, например метод алмазного точения, позволяет в течение черезвычайно малых промежутков времени повышать температуру обрабатываемой поверхности материала иэделия в месте взаимодействия с резцом до величины, обеспечивающей разложение пероксида водорода до воды и кислорода и взаимодействие последнего с

55 обрабатываемым материалом до образования на нем защитного оксида без нарушения физико-химических свойств основной массы материала. При этом под действием резца происходит удаление приповерхностного слоя материала, содержащего примеси в виде соединений материала с серой, хлором, азотом. углеродом и другими компонентами, образующимися при его обработке и хранении на воздухе, а образуемый при резании слой чистого материала, взаимодействуя с кислородом, образует оксид, являющийся однородным по фиэикохимическим свойствам (изоморфным) и равномерным по толщине без дополнительных включений соединений материала и кислорода с другими химическими элементами, что в совокупности с высокими механической прочностью и химической стойкостью образующегося оксида обеспечивает гарантированную эффективную защиту всей получаемой оптической поверхности от воздействия неблагоприятных климатических факторов и механических повреждений, увеличивая срок службы изделия в целом. Кратковременное повышение температуры в зоне обработки до значительной величины (от нескольких сотен до тысячи и более градусов) составляет микросекунды и быстро снижается после удаления резца, эатра ивая только приповерхностный слой, не изменяя (не нарушая) физико-химических свойств основного обьема материала.

Более высокая температура плавления и хрупкость оксида, несмотря на более высокую механическую прочность, позволяют повысить производительность лезвийной обработки резанием оптической поверхнос1и по сравнению с пластичным и высокотекучим обрабатываемым материалом за счет исключения возможности налипания материала (например, алюминия) на резец. Причем обеспечивается как высокая точность обработки эа счет исключения взаимодействия с текучим материалом при резании, точность формы которого трудно обеспечивать, так и высокие оптические, причем вязкость материала с повышением температуры нагрева возрастает, характеристики поверхности в течение всего процесса эксплуатации за счег исключения образования иа оптической поверхности соединений обрабатываемого материала с другими химическими элементами, снижающими коэффициеI T отражения поверхности в в11äèìîй области спектра и являющиеся центрами ее коррозии, и последующего выхода иэ строя под действием неблагоприятных климати2001966 повысить механическую прочность и антикоррозионные свойства упрочненного слоя не менее чем в 2 раза при сохранении оптических свойств.

Результаты испытаний предложенного способа упрочнения поверхности представлены в таблице.

Все оптические элементы из одного материала имели одинаковый высокий первоначальный коэффициент отражения на длине волны 0,63 мкм. прочность оптической поверхности оценивали с помощью

I прибора СМ-55 по количеству циклических перемещений наконечника по оптической поверхности, при котором происходит визуально наблюдаемое нарушение оптической поверхности (появление царапин-следов от наконечника). Коэффициент отражения на длине волны 0,63 мкм оценивали с по15

25 мощью электронного эллипсометра ЛЭФЗМ. Измерение температуры при нагреве осуществляли с помощью платино-платинородиевой термопары в комплекте с потенциометром ЭПП-09. В примере 27 для сравнения обрабатывали известным способом (по прототипу) сталь 40Х. Как показали результаты испытаний, представленные в таблице, механическая прочность обрабоническую прочность детали из стали 40Х, обработанной по прототипу (пример М 27), не менее чем в 2,5 раза, что обусловлено, как отмечалось выше. образованием защитного оксидного покрытия более высокой твердости, чем обрабатываемый материал, íà оп35 тической поверхности.

Испытания по устойчивости к воздействию климатических факторов (климатические испытания), проведенные согласно

ГОСТ 9.401-79, показали (примеры МЬ 2-6, 9-11, 13, 14, 16, 17, 20-22, 24, 25), что все обработанные предложенным способом детали выдержали климатические испытания без изменения коэффициента отражения в пределах ошибки измерения, обеспечивающего работоспособность оптической детали в течение всего периода эксплуатации, в отличие от прототипа (по примеру 27), где

45 пример, алмазным инструментом на станке

MK 6513, вращающейся детали диаметром

0,5 м, например, из алюминия или его сплава, в зону резания посредством, например, сопла подают приготовленный водный раствор пероксида водорода с помощью специального дозиметрического устройства с контролем количества раствора с помощью манометра давления и расходного вентиля и осуществляют формообразование оптической поверхности детали с образованием за.цитного оксидного покрытия.

Предложенный способ упрочнения поверхности детали из материала, обраэуюпроизошла коррозия обрабатываемой поверхности при значительном ухудшении коэффициента отражения на 5,3 .

Данные эллипсометрических измерений на электронном эллипсометре ЛЭФ-ЗМ

55 показали, что толщина слоя поверхностных соединений железа с углеродом, фосфором, азотом и кислородом, образующихся на поверхности стали Х-40 (по прототипу, пример

М 27) при съеме 1 мкм, составила 147 А, в то щего защитного покрытие, позволяет время как при обработке предложенным ческих факторов и механических повреждений.

При использовании раствора пероксида водорода в воде при лезвийной обработке резанием за счет их высокой теплоемкости значительно снижается пожароопасность таких чистых материалов как алюминий, титан и т. и., используемых для поддержания высоких температур, например, в термитных снарядах, и обеспечивается исключение повышения температуры чистых металлов до критической (их воспламенения), что не достигается при использовании других химических соединений, как в прототипе, в том числе за счет присутствия пожароопасных полимера и змульсола.

8ышеизложенный механизм относится лишь к материалам, образующим защитное оксидное покрытие, то есть, при условиях, если молекулярный объем оксида равен или превышает объем покрываемого материала на величину, не превышающую 2,5 раза, а образующийся оксид является сплошным (не пористым) и имеет большую механическую прочность и химическую стойкость по сравнению с чистым обрабатываемым материалом.

Таким образом, при лезвийном обрабатывании резанием в присутствии раствора пероксида водорода в воде происходит модификация обрабатываемой поверхности, приводящая к повышению механической прочности и противокоррозионной стойкости обрабатываемой поверхности при сохранении оптических свойств, увеличению ресурса работы детали.

Способ упрочнения поверхности детали из материала, образующего защитное покрытие, осуществляют следующим образом.

Готовят 1,34 — 18,66 мас. водный раствор пероксида водорода в воде, для чего взвешивают 13,4-186,6 г пероксида водорода и смешивают с 813,4 — 986,6 г дистиллированной воды.

При леэвийной обработке резанием, натанной поверхности (примеры ЬИФ 2-6, 9-11, 30 13, 14, 16, 17, 20-21,24,25) превышаетмеха2001966

50 способом (примеры ЬНФ 2-6, 9-11, 13, 14, 16, 17, 20-22, 24, 25, поверхностный оптический слой (при съеме 1 мкм) представлял собой исключительно оксид алюминия толщиной о

26-68А, не поглощающий свет в видимой области спектра. Наличие поглощающего в видимой области спектра и рыхлой пленки соединений железа с другими элементами предопределило снижение коэффициента отражения и ухудшение коррозионной стойкости поверхности, обработанной по прототипу (пример В 27).

Концентрация содержания пероксида водорода 1,34-18,66 мас, в воде обусловлена тем, что при концентрации пероксида водорода ниже 1,34 мас.$ его концентрация является недостаточной, чтобы обеспечить создание оксидного слоя, достаточно прочного для эффективной защиты оптической поверхности и обеспечивающего необходимое повышение механической прочности и коррозионной стойкости оптической поверхности при сохранении оптических параметров (примеры ММ 2, 26). При превышении концентрации пероксида водорода в воде свыше 18,66 мас, образуется довольно толстый слой оксида, который приводит к ухудшению механической прочности и коррозионной стойкости оптической поверхности из-за создания больших внутренних напряжений в оксиде за счет образования оксидов с высокой валентностью типа МоОз, WOq вместо МоО и WOz, усугубляемых большой толщиной оксида. приводящей к нарушению целостности защитного оксидного покрытия (объем оксида превышает при этом объем металла более чем в 2,5 раза. что нарушает одно из условий образования защитного оксидного покрытия из-за внутренних напряжений в оксиде).

Ухудшается также коэффициент отражения из-за поглощения толстой неоднородной образовавшейся пленкой оксида (примеры

N. 7, 18). Оптимальным является концентрация пероксида водорода в воде 10 мас. .

Испытания по температуре нагрева поверхности детали трением обрабатывающим инструментом показали, что при температуре нагрева ниже 0,4 Тп> соответствующего материала не происходит заметного адгезионного контакта между

45 режущим инструментом и обрабатываемым материалом. коэффициент адгезии при этом составляет 0 — 0,1, что резко снижает производительность резания и делает процесс неэффективным, кроме того, при температуре меньше 0,4 Т» (для случая со сплавом из алюминия 1АМГ-6-239 С) при поддержании соответствующей контактной температуры в течение десятков-сотен миллисекунд может не происходить эффективного разложения пероксида водорода на кислород и воду, что также ухудшает качество получаемого защитного оксидного покрытия на оптической поверхности (примеры N.N. 8, 12, 15, 19, 23).

Максимально возможная контактная температура могла бы лимитироваться температурой контактного эвтектического плавления, при которой образуются различные эвтектические соединения обрабатываемого материала с абразивом режущего инструмента (например, алмазом). Для кобальта и никеля эта температура составляет

1303 и 1318 С, соответственно. При образовании таких соединений ухудшается оксидный защитный слой и все оптические характеристики, в первую очередь, коэффициент отражения за счет поглощения углеродными соединениями материала части видимого излучения, Однако за счет ограниченного времени поддержания такой температуры (десятки-сотни миллисекунд) верхняя граница температурной обработки может значительно возрастать до 2000 С и выше. особенно для тугоплавких материалов, и материалов, не образующих соединений с углеродом. Оптимальной температурой нагрева является температура не ниже 0,7 Тпл (примеры ММ 2-6, 11).

Испытания, проведенные с неметаллами (кремний, бериллий), образующими защитное оксидное покрытие, показали аналогичные результаты (примеры ММ 23-26).

Кроме изложенных, положительным эффектом является повышение механической прочности и антикоррозионных свойств упрочняемого слоя при сохранении оптических свойств поверхности детали, (56) Авторское свидетельство СССР

N. 722999, кл. С 23 С 8/00, 1980.

2001966

Материал on- Концентратической детэ- ция перокТемпе ратуКоррозионная стойкость по

ГОСТ 9.401-79 ра нагрева оС пп сида ли ний тов

1,30

500

303

82,4

1,34

586

86,3

1,38

10,00

18,62

18,66

18,70

10.0

Отсутствие адгезии между режущим инст ментом и еталью

239

10.00

590

Отсутствие следов коррозии

То же

86,2

10,00

641

708

86,4

87.0

10,00

Сплав алюминия А(-99

10.00

617

Отсутствие адгезии между режущим инст ментом и еталыо

Титан

667 (0,4 Тпл) 717

10.00

268

Отсутствие сле39,4

То же дов коррозии

То же

10,00

659

401

10,00

1000

Отсутствие адгезии между режущим инст ментом и еталыо

Молибден

1050 (0,4 Тпл) 1100

1100

619

Отсутствие следов коррозии

То же

47,4

649

490

48,2

17

18.70

Коррозионные пятна

42,9

Сплав алюминия АМГ-6

Сплав алюминия АМГ-6

То же водорода в растворе дистиллированной воды, мас.

264 (0,4 Тпл)

289

0,7 Тпл

МЕханичЕская прочность обработанной поверхности (количество оборо599

688

683

674

681

Коррозионные пятна

Отсутствие следов коррозии

То же

Коэффициент отражения на длине волны 0,63 мкм, $, после испыта86,4

86,6

86,5

86,3

84 1

2001966

Продолжение таблицы

6 7

692

10,00

Цирконий

Отсутствие следов коррозии

То же

45,3

637

742 (0,4 Тпл) 792

654

10,00

То же

46,2

58,2

671

523

10,00

21

1,38

Сталь 40Х

10,00

Кремний

24,5

Отсутствие следов коррозии

То же

560

569 (0,4 Тпп) 619

10,00

То же

25,0

595

10,00

1,34

208

619

204

Сталь 40Х (по прототипу) 654

Формула изобретения

Составитель В. Алексеев

Техред М, Моргентал Корректор А, Обручар

Редактор С. Кулакова

Заказ 3157

Тираж Г!одписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-35, Раушскаа наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Обработка

10Р суспензией полиэтилена низкого давления в

5 Р водной эмульсии эм льсола

СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ ИЗ МАТЕРИАЛА, ОБРАЗУЮЩЕГО ЗАЩИТНОЕ ОКСИДНОЕ

ПОКРЫТИЕ, включающий нагрев поверхности детали трением обрабатывающим режущим инструментом и подачу водного

Отсутствие адгезии между режущим инст ментом и еталью

Отсутствие адгезии между режущим инст ментом и еталью раствора в зону резания, отличающийся тем, что в качестве водного раствора используют 1,34 - 18,66 мас. (,-ный раствор пероксида водорода, а нагрев поверхности проводят до температуры не ниже 0,4 температуры плавления обрабатываемого ма10 териала.