Способ упрочнения поверхности металлических изделий

Изобретение относится к области машиностроения и металлургии и может быть использовано при изготовлении различных изделий. Для повышения износостойкости и прочности угловых соединений в замкнутую рабочую камеру с газовой средой размещают изделия, стальные шарики и порошок легирующего вещества. Шарики и порошок приводят в движение до столкновения с обрабатываемой поверхностью с помощью ультразвукового поля, создаваемого в рабочей камере при колебаниях ее стенки с заданной амплитудой смещения для одновременной обработки деформированием и диффузионным массопереносом в поверхностный слой атомов легирующего вещества (карбонил молибдена или дисульфид молибдена). Заканчивают обработку по истечении заданного времени. Шарики выполнены разного диаметра с общей массой M=1/i·(V₁-V₂)/ξ_m(D₁/k₁+D₂/k₂)+...+D_i/k_i), где V₁ - объем рабочей камеры; V₂ - объем части изделия, находящейся в камере; ξ_m - амплитуда смещения стенки камеры; D₁, D₂...D_i - диаметр стальных шариков; k₁, k₂...k_i=(1,7-2,3)·10² см³/г - коэффициент пропорциональности, а массу одного типоразмера шариков определяют: где i - номер применяемого типоразмера шариков (i≠1), при этом D₁>D₂>...>D_i, а масса легирующего вещества определяется как

где d - средний диаметр частиц порошка; ρ₁ и ρ₀ - плотности соответственно материалов порошка и шариков; f₀ - частота колебаний; σ_0,2 - предел текучести материала изделия. В процессе обработки возможен подогрев среды рабочей камеры путем поддува в нее нагретого газа. 1 ил., 4 табл.

 

Способ относится к области обработки металлов поверхностным пластическим деформированием и может быть использовано в машиностроении и металлургии при изготовлении различных изделий, в том числе режущего инструмента, рабочих элементов деталей штампов и форм литья под давлением и других изделий машиностроения.

Известен способ обработки поверхности металлических изделий, включающий помещение в замкнутую рабочую камеру с газовой средой изделия и стальных шариков, приведение в движение шариков до столкновения с обрабатываемой поверхностью с помощью ультразвукового поля, создаваемого в рабочей камере при колебаниях ее стенки с заданной амплитудой смещения, окончание обработки по истечении заданного времени, при этом обработку осуществляют общей массой шариков

где V₁ - объем рабочей камеры; V₂ - объем части изделия, находящейся в камере; ξ_m - амплитуда смещения стенки камеры; D - диаметр стальных шариков; k=(1,7-2,3)·10² см³/кг - коэффициент пропорциональности, одновременного деформирования и диффузионного массопереноса в поверхностный слой атомов легирующего вещества, в рабочую камеру помещают порошок легирующего вещества (карбонил молибдена или дисульфид молибдена) массой

где d - средний диаметр частиц порошка; ρ₁ и ρ₀ - плотности соответственно материалов порошка и шариков; f₀ - частота колебаний; σ_0,2 - предел текучести материала изделия, обработку осуществляют одновременно шариками и частицами порошка, а заканчивают ее по истечении времени

где S₀ - внутренняя площадь камеры; S₁ - площадь поверхности изделия;

L - максимальное расстояние от стенки камеры до изделия (прототип).

Способ позволяет оптимизировать режим обработки, т.е. добиться максимальной интенсивности упрочнения и твердости поверхности. Однако износостойкость максимальной площади поверхности деталей и прочность угловых соединений, обработанной по этому способу, остается недостаточно высокой, а уровень шумов при работе упрочненных зубчатых пар повышенным.

Предлагаемое изобретение решает задачу повышения износостойкости и прочности угловых соединений, с уменьшением уровня шумов при работе в упрочненных зубчатых парах за счет создания микрорельефа при пластическом деформировании максимальной площади поверхности деталей.

Эта задача решается тем, что в способе, включающем помещение в замкнутую рабочую камеру с газовой средой изделия и стальных шариков, приведение в движение шариков до столкновения с обрабатываемой поверхностью с помощью ультразвукового поля, создаваемого в рабочей камере при колебаниях ее стенки с заданной амплитудой смещения, окончание обработки по истечении заданного времени, одновременного деформирования и диффузионного массопереноса в поверхностный слой атомов легирующего вещества (карбонил молибдена или дисульфид молибдена), обработку осуществляют одновременно шариками и частицами порошка, а заканчивают ее по истечении времени

где S₀ - внутренняя площадь камеры; S₁ - площадь поверхности изделия;

L - максимальное расстояние от стенки камеры до изделия, при этом шарики выполнены разного диаметра с общей массой

где V₁ - объем рабочей камеры; V₂ - объем части изделия, находящейся в камере; ξ_m - амплитуда смещения стенки камеры; D₁,D₂...D_i - диаметр стальных шариков; k₁,k₂...k_i=(1,7-2,3)·10² см³/г - коэффициент пропорциональности, а масса одного типоразмера шариков определяется как

где i - номер применяемого типоразмера шариков (i≠1), при этом D₁>D₂>...>D_i, а масса легирующего вещества определяется как

где d - средний диаметр частиц порошка; ρ₁ и ρ₀ - плотности соответственно материалов порошка и шариков; f₀ - частота колебаний; σ_0,2 - предел текучести материала изделия.

В процессе обработки возможен подогрев среды рабочей камеры путем поддува в нее нагретого газа.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображена схема устройства для осуществления предлагаемого способа.

Здесь 1 - магнитострикционный ультразвуковой преобразователь, 2 - ступенчатый концентратор, 3 - рабочая камера, 4 - изделие, 5 - стальные шарики, 6 - частицы порошка.

При возбуждении колебаний торца концентратора при амплитудах смещения 50-100 мкм в рабочей камере возникают мощные радиационные давления и акустические потоки, которые поднимают частицы порошка и стальные шарики. Касаясь колеблющейся стенки волновода, частицы и стальные шарики получают скорость V=4πξ_mf_c и затем ударяют по обрабатываемой поверхности изделия. При ударах шариков различного диаметра, под которыми в это время находятся частицы порошка, по поверхности происходит диффузионный массоперенос атомов порошка в поверхностный слой изделия равномерно по всей поверхности, создавая микрорельеф даже в труднодоступных местах, особенно в местах сочленения деталей под различными углами. Диффузионный массоперенос атомов обусловлен двумя причинами: с одной стороны при ударах шариков выделяется тепло в локальных местах и образуется большой градиент температур, что значительно ускоряет диффузию; с другой стороны при ударах образуются большие акустические давления в материале изделия, что также приводит к значительному ускорению диффузии.

Так как установлено, что для того, чтобы под каждым ударом шарика оказывалось достаточное число частиц порошка, необходимо, чтобы за время обработки τ_обр частицы порошка покрыли поверхность 10³-10⁴ раз. Время такой обработки определено как

Если обработку осуществлять в течение времени меньшего, чем (1), то недостаточное число частиц порошка проникает в поверхностный слой и износостойкость поверхности будет низкой. Если же время обработки будет больше, чем (1), то происходит перенаклеп (шелушение) поверхности и износ резко увеличится.

Время, за которое шарики полностью пластически продеформируют всю обрабатываемую поверхность и создадут необходимый микрорельеф, установлено нами в виде

где n - общее число шариков.

Из (5) и (6) и учитывая, что масса шариков , а также то, что время покрытия порошком поверхности 10³-10⁴ раз и время ее пластической деформации должны быть равны, то получим соотношение между массой порошка и массой шариков в виде (4).

Если масса порошка будет меньше величины, определенной по (4), то поверхность недостаточно плотно покроется порошком, концентрация атомов в поверхностном слое будет недостаточной и износостойкость уменьшится. Если же масса порошка будет больше величины, определенной по (4), то частицы порошка будут покрывать плотным слоем поверхность изделия и демпфировать удары шариков, вследствие чего не будет достаточной пластической деформации и проникновения атомов порошка вглубь поверхностного слоя, что в конечном счете приводит к уменьшению износостойкости. Соблюдение условий, определенных выражениями (1, 2, 3, 4), т.е. выбор времени обработки, общей массы шариков, массы шариков одного типоразмера и массы порошка, позволяет получить требуемое качество поверхности, при этом повысить ее износостойкость и уменьшить уровень шума при работе механизмов с обработанными зубчатыми парами за счет создания микрорельефа при пластическом деформировании максимальной площади поверхности деталей.

Пример. Проводилась обработка образцов из стали 20ХТНМ с твердостью 45...48 HRC (после термической обработки) с σ_0,2=1400-1600МПа.

Режимы ультразвукового упрочнения были следующими:

амплитуда смещения ξ=0,0057 см, диаметры шариков D₁=0,3 см, D₂=0,26 см, D₃=0,18 см. Оптимальная масса шариков, определенная по аналитическому выражению (2), составляла М=3,9 г, частота колебаний f=21,7 кГц, площадь рабочей камеры S₀=24 см², площадь обрабатываемой поверхности образца S₁=7 см², объем рабочей камеры V₁=32 см³, объем части изделия V₁=14 см³, расстояние образца до излучающей поверхности L=0,005 м, диаметр частиц порошка d=50...70 мкм. Использовался порошок дисульфида молибдена плотностью ρ₁=10,2 г/см³, плотность стальных шариков составляла ρ₀=7,8 г/см³.

В процессе обработки изменялась масса засыпаемого в рабочую камеру порошка, рассчитываемая по выражению (4), и изменялось соотношение масс шариков различного диаметра, определяемое по формуле (3). После обработки измерялся износ поверхности изделия, уровень шума механизма с обработанными зубчатыми парами и площадь обработанной поверхности.

Износ поверхности изделия проводился по следующей методике: испытания проводились на строгальном станке модели 7Б35 при возвратно-поступательном движении. Контр-образцом служил образец из стали ШХ 15 с твердостью 62 HRC. Испытания проводились со смазкой машинным маслом при нагрузке 150 кг. Перед испытанием образцы промывались в бензине и ацетоне, а затем взвешивались на аналитических весах ВЛА - 200 г. Приработка образцов проводилась в течении 2,5 часов. После приработки образцы снимались, промывались и взвешивались; также взвешивание проводилось после окончания испытаний. Износостойкость оценивали по потере исследованных образцов в весе. До и после испытаний проводились замеры твердости, линейных размеров, шероховатости поверхности (на профилографе - профилометре) исследованных образцов. Контактная площадь соприкосновения исследованных образцов с контр-образцом составляла 10×10 мм.

Расчеты по выражениям (1) и (4) при указанных выше параметрах обработки для стали 20ХТНМ дают, соответственно, массу порошка и время обработки:

m=0,1-1,0 г; τ=20-200 с.

Результаты экспериментальных данных представлены в таблицах 1, 2.

Снижение уровня шума механизма с обработанными зубчатыми колесами из стали 20ХТНМ шариками диаметром только 3 мм составлял 1,9 Дб, а снижение уровня шума механизма с обработанными зубчатыми колесами шариками диаметрами 3 мм, 2,6 мм и 1,8 мм, взятых в соотношении согласно формулы (3), составил в среднем около 2,6 Дб. Площадь обработанной поверхности увеличилась на 3...5% за счет обработки поверхностей, труднодоступных для шариков большего диаметра (исследование проводились визуально с помощью лабораторного микроскопа), при этом прорабатываются переходные поверхности с наибольшей концентрацией внутренних напряжений. Результаты экспериментальных данных представлены в таблицах 3, 4.

Таким образом, способ позволяет в зависимости от размеров изделия, свойств его материала, размеров тел, акустических параметров определять режимы обработки; время обработки, массу загружаемого порошка, массу применяемых типоразмеров шариков в зависимости от их диаметров. Обработка, при определенных таким образом режимах, позволяет получить оптимальные свойства поверхности изделия.

Таблица 1 Зависимость износостойкости стали 20ХТНМ от массы порошка дисульфида молибдена в рабочей камере УЗ-й обработки. Время обработки 120 с
Обработка по предлагаемому способу	Масса порошка дисульфида молибдена, г	0,05	0,1	0,5	1,0	2,0
Оптимальный вариант, соответствующий выражению (4)
	Потеря массы, г 10-4	36,0	11,0	8,5	11,2	31,0
Обработка по прототипу	Потеря массы, г 10-4	36,0	12,0	10,5	12,7	38,0

Таблица 2 Зависимость износостойкости стали 20ХТНМ от времени обработки. Масса порошка дисульфида молибдена m=0,5 г
Обработка по предлагаемому способу	Время обработки, с	5	15	120	140	250
Оптимальный вариант, соответствующий выражению (1)
	Потеря массы, г 10-4	36,0	11,0	8,5	11,4	34,0
Обработка по прототипу	Потеря массы, г 10-4	36,0	12,0	10,5	12,7	38,0
Таблица 3 Замер шума раздаточных коробок шумомером "Брюль и Къер"
Шумоконтрольный станок 5793 (1230 об/мин)
		Рабочая сторона, Дб	Обратная сторона, Дб
		Без нагрузки	С нагрузкой	Без нагрузки	С нагрузкой
	Эталон	78	77	79	79
прототип	До обработки	81	80	81	80
После обработки	79,1	78,2	81	80,5
Предложенный способ	До обработки	81	80	80	81
После обработки	78,4	77,3	79	79,5
Таблица 4 Замер шума раздаточных коробок шумомером "Брюль и Къер"
Шумоконтрольный станок КСЗ-5Ш (1920 об/мин)
		Рабочая сторона, Дб	Обратная сторона, Дб
		Без нагрузки	С нагрузкой	Без нагрузки	С нагрузкой
	Эталон	81	81	81,5	82
прототип	До обработки	83,5	82	82,5	81,5
После обработки	82	80,1	80	80,5
Предложенный способ	До обработки	84	82	83,5	82
После обработки	80,5	79,5	80	79,5

Предлагаемый способ по сравнению с прототипом позволяет увеличить площадь обработанной поверхности на 3...5% и увеличить износостойкость на 25%, без увеличения времени обработки, при этом уменьшить уровень шума работающего механизма в среднем на 2,6 Дб и снизить риск перенаклепа.

Проведенные патентные исследования и анализ известных в науке и технике технических решений позволяет сделать вывод о соответствии предложенного способа критерию "существенные отличия".

Литература

1. Авторское свидетельство СССР №1765207, кл. С 21 D 7/02, С 23 С 10/00 - прототип.

Способ упрочнения поверхности металлических изделий, включающий помещение в замкнутую рабочую камеру с газовой средой изделия, стальных шариков и порошка легирующего вещества, приведение в движение шариков и порошка до столкновения с обрабатываемой поверхностью с помощью ультразвукового поля, создаваемого в рабочей камере при колебаниях ее стенки с заданной амплитудой смещения для одновременной обработки деформированием и диффузионным массопереносом в поверхностный слой атомов легирующего вещества и заканчивают обработку по истечении времени

где S₀ - внутренняя площадь камеры; S₁ - площадь поверхности изделия; L - максимальное расстояние от стенки камеры до изделия,

отличающийся тем, что шарики выполнены разного диаметра с общей массой

где V₁ - объем рабочей камеры; V₂ - объем части изделия, находящейся в камере; ξ_m - амплитуда смещения стенки камеры; D₁, D₂...D_i - диаметры стальных шариков; k₁, k₂...k_i=(1,7-2,3)·10² см³/г - коэффициенты пропорциональности, при этом массу одного типоразмера шариков определяют как

где i - номер применяемого типоразмера шариков (i≠1), при этом D₁>D₂>...>D_i,

а массу легирующего вещества определяют как

где d - средний диаметр частиц порошка; ρ₁ и ρ₀ - плотности соответственно материалов порошка и шариков; f₀ - частота колебаний; σ_0,2 - предел текучести материала изделия.