Способ поверхностной упрочняющей обработки

 

Использование: для повышения износостойкости деталей машин и инструмента. Сущность: на поверхности образца из стали наносят краситель в виде прямоугольной сетки с расстоянием между линиями 1,5 мм. Поверхность обрабатывают лазером, подвергают обработке холодом и шлифуют. 2 табл.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для повышения износостойкости деталей машин и инструмента.

Известен способ поверхностной упрочняющей обработки, в соответствии с которым повышение износостойкости достигается образованием регулярного рельефа специальными деформирующими инструментами. Его сущность заключается в том, что за счет одновременного встречного тангенциального деформирования элементарных площадок обрабатываемой поверхности инденторами на ней образуется гексагональная сетка каналов, а неровности приобретают вид регулярного рельефа [1] Недостатки этого способа невысокая степень упрочнения и ограниченные возможности формирования поверхностной геометрии регулярного рельефа.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам к заявляемому способу является способ, включающий локальную обработку лучом лазера с определенным расположением упрочненных элементарных площадок и механическую обработку этой поверхности эластичным абразивным алмазным инструментом до образования на ней регулярного рельефа [2] Недостатки этого способа ограниченные возможности формирования регулярных рельефов и ограниченные возможности повышения износостойкости.

Цель изобретения повышение износостойкости.

Поставленная цель достигается тем, что в способе поверхностной упрочняющей обработки, включающем воздействие лазерного луча на упрочняемую поверхность и последующую механическую обработку поверхности эластичным инструментом с образованием регулярного рельефа, предварительно на упрочняемую поверхность наносят красящий материал с расстоянием между соседними участками не менее 2 мм с образованием рисунка, соответствующего требуемой геометрии регулярного рельефа. После лазерного воздействия осуществляют обработку поверхности холодом при 180-190 К в течение 10-15 мин. Лазерный луч перемещают по поверхности в продольном и поперечном направлениях с коэффициентом подачи 0,3-0,5.

Возможность реализации предлагаемого способа основана на свойстве сталей изменять объем при структурных превращениях, определяемых уровнем термического воздействия на материал. Различный уровень термического воздействия на поверхностные слои изделий при лазерной обработке можно обеспечить, регулируя их поглощающую и отражательную способность для лазерного луча, например, посредством соответствующей окраски обрабатываемой поверхности.

При воздействии лазерного луча на поверхности с темной окраской, обладающей повышенной поглощающей способностью, мартенситное превращение в поверхностных слоях стали происходит с большей степенью искажения кристаллической решетки, чем на участках, не подверженных окраске. В результате объем материала зон с темной окраской увеличивается в большей степени, чем со светлой, образуя тем самым рельеф, выступающий над исходным профилем. Нанося на обрабатываемую поверхность рисунок, представляющий собой чередование светлых и темных зон, расположенных в требуемой регулярной последовательности, можно воспроизвести его на рассматриваемой поверхности в виде регулярного рельефа.

Дополнительное увеличение высотных характеристик полученного при лазерном воздействии регулярного рельефа можно произвести за счет обработки холодом упрочненных деталей, в процессе которой в инструментальных сталях происходит превращение остаточного аустенита в мартенсит, сопровождаемое увеличением объема.

Температурный режим обработки холодом определяется положением нижней мартенситной точки (М_к). Для большинства сталей температура М_к лежит не ниже 193 К, поэтому принята температура охлаждения при обработке холодом 180-190 К. Время выдержки при этой температуре определено экспериментально и составляет 10-15 мин.

Эластичное шлифование, например, лепестковыми кругами, позволяет в еще большей степени увеличить высоту образуемых выступов регулярного рельефа, так как области, имеющие повышенную твердость (темные зоны), в большей степени, чем светлые, сопротивляются снятию припуска, поэтому толщина материала, удаляемого с них, меньше, чем в зонах, которые не окрашивались при обработке. Однако такая картина имеет место, если расстояние между соседними окрашенными участками не менее 2 мм. В противном случае наблюдается сглаживание регулярного рельефа в процессе эластичного шлифования за счет более равномерной скорости снятия припуска по разнотвердым зонам.

Коэффициент подачи 0,3-0,5 обеспечивает стабильное создание регулярного рельефа на всей упрочняемой поверхности, уменьшая влияние на ее величину разности остаточных деформаций по сечению следа воздействия луча, имеющей место из-за неравномерного распределения энергии по сечению луча.

П р и м е р. Пpоизводилась упрочняющая обработка плоских поверхностей образцов из сталей У10А и Х12М, на которое перед лазерным воздействием была нанесена красителем (черная газетная типографская краска) прямоугольная сетка, толщина окрашенных линий 1,5 мм, расстояние между ними в продольном и поперечном направлении 1,5-3,0 мм.

Режимы лазерной импульсной обработки на установке "Квант-16": плотность энергии лазерного луча 1,6-2,2 Дж/мм²; коэффициент подачи 0,4; частота импульсов 1,0 Гц; шероховатость упрочняемой поверхности Ra 0,32-0,41 мкм.

Затем выполнялась обработка холодом при температуре 185 К в течение 10 мин и эластичное шлифование абразивным лепестковым кругом при нормальной нагрузке на образец 13-15 Н и скорости 30 м/с. Для изготовления лепестков круга использовалась шкурка на тканевой основе по ГОСТ 13344-67 из нормального электрокорунда зернистостью 8-10.

Величины износостойкости в зависимости от высотных значений регулярного рельефа, расстояний между участками рисунка и коэффициента подачи по отношению к образцам, изготовленным из тех же материалов, но упрочненных в соответствии с известным способом (лазерная обработка плотность энергии луча 2,5 Дж/мм²; диаметр луча 2,5 мм; шаг обработки 5 мм; последующая механическая обработка алмазное виброполирование брусками из алмазов АСО 100%-ной концентрации, зернистостью 125/200; давление бруска на обрабатываемую поверхность 0,2 МПа, другие режимы задавались также по известному способу) приведены в табл.1 и 2.

Повышенная износостойкость поверхностей, упрочненных в соответствии с предлагаемым способом, по сравнению с известным обусловлена меньшей способностью последних удерживать смазку на фрикционном контакте и созданием более благоприятных совокупностей свойств поверхностных слоев, определяющих износостойкость (уменьшается геометрическая и структурная неоднородности, повышается средняя микротвердость). Обеспечивается возможность широкого выбора оптимальных для различных условий изнашивания характеристик регулярного рельефа. Вследствие этого образцы, у которых регулярный рельеф образован предложенным способом, имеет интенсивность изнашивания во время приработки на 30-60% ниже при трении по древесине различных пород (влажность 80-100%) и на 30-55% при трении по сталям в условиях граничной смазки по сравнению с образцами, обработанными в соответствии с известным способом. Во время установившегося изнашивания в указанных условиях интенсивность изнашивания образцов, упрочненных предлагаемым способом, на 25-30% ниже, чем при реализации известного способа.

Из табл.1 следует, что уменьшение расстояния между соседними окрашенными участками менее 2,0 мм приводит к существенному понижению износостойкости, поэтому целесообразно назначать также расстояние при реализации способа не менее 2 мм.

Использование предлагаемого способа поверхностей упрочняющей обработки позволяет повысить износостойкость рабочих поверхностей деталей машин и инструментов, что обеспечивает снижение затрат на изготовление и повышение производительности труда в основном и инструментальном производствах машиностроительных и деревообрабатывающих предприятий.

Как видно из табл.2, наибольшая износостойкость достигается при назначении коэффициента подачи луча 0,3-0,5

Формула изобретения

СПОСОБ ПОВЕРХНОСТНОЙ УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ, включающий воздействие лазерного луча на упрочняемую поверхность и последующую механическую обработку поверхности эластичным инструментом с образованием регулярного рельефа, отличающийся тем, что, с целью повышения износостойкости, предварительно на упрочняемую поверхность наносят красящий материал с расстоянием между соседними участками не менее 2 мм с образованием рисунка, соответствующего требуемой геометрии регулярного рельефа, после лазерного воздействия осуществляют обработку поверхности холодом при 180 190 К в течение 10 15 мин, при этом лазерный луч перемещают по поверхности в продольном и поперечном направлениях с коэффициентом подачи 0,3 0,5.

РИСУНКИ

Рисунок 1