Способ формирования минеральных покрытий поверхностей деталей из металлов и сплавов

Изобретение относится к способам формирования минеральных покрытий поверхностей деталей из металлов и сплавов и может найти применение в различных отраслях машиностроения. Осуществляют напрессовывание на поверхность детали мелкодисперсного порошка с одновременным пластическим деформированием поверхностных слоев. Для этого вращательно или поступательно перемещают деталь относительно ультразвукового инструмента. Давление предварительного прижатия устанавливают соответствующим пределу упругости материала формируемого покрытия. Меньший радиус индентора ультразвукового наконечника тороидальной формы назначают равным от 0,5 до 5 мм в зависимости от размеров детали и твердости материала основы в соответствии со значениями наименьшего и наибольшего размеров стандартных шариков при измерении твердости по Бринеллю. Величину амплитуды колебаний ультразвукового индентора устанавливают не меньшей, чем толщина слоя формируемого минерального покрытия. Мощность ультразвукового инструмента рассчитывается по заданной амплитуде колебаний инструмента и величине объемной удельной энергии пластической деформации материалов поверхностного слоя. При выполнении этих условий достигается контролируемое изменение механических характеристик материала покрытия и основного материала детали. 1 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к способам обработки поверхностей, в частности к способам формирования покрытий с использованием порошковых материалов.

Известны ряд способов формирования покрытий из порошковых минеральных материалов на поверхностях деталей. При способе, указанном в SU 1601426 [1], из определенного количества природного истертого кварца и синтетического солидола образуют смесь. Подвергают ее механоактивации. Готовую смесь вводят в зону трения и проводят приработку при определенных режимах. Формирование сервовитной пленки при этом осуществляется под давлением в зоне контакта из находящегося в этой зоне контакта минерального материала. Дисперсность кварца составляет 0,1-5 мкм, а процентный состав смеси: кварц - 0,1-5% по массе.

Известен способ, описанный в RU 2043394 [2], при котором природная минеральная смесь со сложным составом в количестве 0,5-2,0 массовых % и связующее в количестве 98,0-99,5 массовых % помещают между трущимися поверхностями, получая таким образом покрытие. Связующим в этом случае выступает любая пластическая смазка, масло, вода и др. дисперсионная среда.

Известен способ геоэнергетической интенсификации массообменных процессов (и состав для геоэнергетической интенсификации массообменных процессов) [3], при котором покрытие формируется в зоне контакта двух поверхностей при введении в масла и смазки состава, заключающего в себе кварцеобразующие и кварцесодержащие горные породы дисперсностью 95% не более 15 мкм и 5% не более 30 мкм, со средней величиной энергетической стабильности 82 кДж/см³, магнитной восприимчивостью кварцесодержащих пород 0,003-0,009 и кварпеобразующих пород 0,20-0,25 в количестве от 0,1 до 5 массовых %, а масла и смазки - остальное.

При таких способах получают покрытия с малопредсказуемыми свойствами:

- толщина покрытия колеблется в весьма широких пределах - 0,005-0,04 мм;

- физико-механические свойства поверхности, а также величина силы сцепления материала покрытия с основным материалом детали не регламентируется.

Недостатком указанных способов является то, что при помещении минерального материала между двумя контактирующими поверхностями при эксплуатационных или случайно заданных нагрузках режим формирования покрытий и механические характеристики материала покрытий зависят от многих факторов и не могут быть точно установлены.

Следующим шагом в технологии формирования покрытий является способ, предложенный в RU 2210626 [4]. Способ реализуется при изготовлении деталей на станках. В этом способе первый слой покрытия наносят плазменным напылением или электроискровым легированием, что позволяет создать пористую или сильношероховатую поверхность, на которую наносят слой мелкодисперсного минерального материала, и производят его последующую обработку ультразвуком. При этом наносимый слой минерального материала удерживается в открытых порах и неровностях первого слоя покрытия.

Однако и при этом методе имеют, хотя мощность ультразвукового устройства и геометрическая форма воздействующего на поверхность инструмента является фиксированной, физико-механические характеристики получающейся поверхности являются во многом случайными вследствие отсутствия регламентации режимов обработки.

Таким образом, из описания приведенных аналогов видно, что такие важные для работы машины характеристики, как прочность сцепления материала покрытия с материалом основы; адгезионные свойства поверхности и др. не регламентируются при данных методах. Величины параметров технологического процесса получения поверхности не сопоставляются со свойствами материалов основы и поверхностного слоя. Не обеспечивается нужная когезионная прочность покрытия и требуемые адгезионные свойства поверхности. Последний аналог дает фиксированную мощность ультразвукового устройства при обработке и определенную геометрию инструмента, но количество материала, попавшего на поверхность, является случайной величиной.

В качестве прототипа выбран способ формирования покрытия по заявке №2003138028/02 (040734) от 29.12.2003 г. В прототипе порошковый материал наносится на покрываемую поверхность в смеси с клеем и после нанесения слоя обрабатывается ультразвуком. При данном методе толщина покрытия может быть установлена достаточно точно посредством точной дозировки состава, а следовательно, точно может быть получена и толщина покрытия и (при известных свойствах исходного материала) физико-механические свойства материала покрытия после обработки.

Как и предыдущие аналоги, прототип имеет тот же недостаток - режимы обработки не установлены, что не позволяет получить наперед заданные свойства поверхностного слоя.

В основу изобретения ставится задача обеспечить заданные когезионные свойства покрытия, минимизировать адгезию между двумя трущимися поверхностями с целью снижения коэффициента трения и исключения массопереноса (налипания) материала одной поверхности на другую при рабочих давлениях.

Технический результат - заданные механические свойства покрытия после обработки, достигается при формировании минерального покрытия на любых поверхностях: обработанных ультразвуком, после плазменного напыления, после эдектроискрового легирования, полученных после чистовой обработки режущим инструментом.

Технический результат обеспечивается тем, что в способе формирования минеральных покрытий поверхностей деталей из металлов и сплавов при напрессовывания на поверхность детали удерживаемого на поверхности мелкодисперсного порошка выбранного материала, за счет приложения давления, с одновременным пластическим деформированием поверхностных слоев путем перемещения поверхности детали относительно инструмента при вращательном или поступательном движении детали, согласно изобретению устанавливаются следующие условия режима ультразвуковой обработки:

1. Давление предварительного прижатия соответствует пределу упругости материала формируемого покрытия, при этом меньший радиус индентора ультразвукового наконечника (при тороидальной форме наконечника) назначается, в зависимости от размеров детали и твердости материала основы, равным от 0,5 до 5 мм (в соответствии со значениями наименьшего и наибольшего размеров стандартных шариков при измерении твердости по Бринеллю).

2. Величина амплитуды колебаний ультразвукового индентора устанавливается не меньшей, чем толщина слоя формируемого минерального покрытия.

3. Мощность ультразвукового инструмента рассчитывается по:

- заданной амплитуде колебаний инструмента;

- величине удельной объемной энергии пластической деформации материалов поверхностного слоя [6, 7, 8], определенной при глубине зоны пластической деформации, равной 10 амплитудам колебаний индентора при одном проходе по обрабатываемой поверхности;

- выбранной геометрии наконечника;

- имеющейся частоте колебаний инструмента;

- заданной величине циклов колебаний индентора, приходящихся на единицу площади обрабатываемой поверхности.

При выполнении этих условий достигается контролируемое изменение механических характеристик материала покрытия и основного материала детали, определяемое, в соответствии с изменением их твердости, по уравнению состояния вещества [9, 10, 11], в частности:

- увеличение параметра адгезионного числа материала поверхности [12] со снижением сил сцепления двух контактирующих поверхностей;

- величина когезионной силы между покрытием и основным материалом, равная полусумме временных сопротивлений на растяжение обоих материалов, определенных после совершения пластической деформации по уравнениям состояния вещества;

- величина сопротивления на разрыв адгезионной связи, возникающей между частицами материалов двух контактирующих поверхностей при заданном максимальном давлении в паре трения, меньше (с коэффициентом запаса), чем предел временной прочности на растяжение материала поверхностного слоя второй поверхности и меньше (с коэффициентом запаса), чем величина сцепления покрытия второй детали с основным материалом.

Ниже приведены примеры конкретной реализации.

Пример 1. Объект формирования покрытия - цилиндрическая ось из стали 45. Формирование покрытия осуществлялось из порошка серпентинита Mg₆Si₄O₁₀(OH)₈ дисперсностью 2-40 мкм. Твердость частиц исходного материала - 310-380 HV. На поверхность детали наносился состав из 80% порошка серпентинита и 20% клея ПВА. Нанесенный слой обкатан роликом при усилии 100 Н. Толщина покрытия оси - 0,04 мм. Твердость покрытия оси - 663 HV. При этом твердость поверхности оси, покрытой таким же количеством клея ПВА без минералов и обкатанной роликом, составляет 585 HV. Увеличение параметра твердости материала в покрытий - 75%. Расход минерального материала составил 1,1 по отношению к количеству минерала в покрытии.

Пример 2. Объект формирования износостойкого покрытия - цилиндрическая ось из стали 45Х (твердость 38 HRC или 367 HV). Формирование покрытия осуществлялось из порошка серпентинита Mg₆Si₄O₁₀(OH)₈ дисперсностью 2-40 мкм. Твердость частиц исходного материала - 310-380 HV. На поверхность детали наносился состав из 85% порошка серпентинита и 15% жидкого стекла. Нанесенный слой обработан ультразвуком. Твердость покрытия оси 619 HV. При этом твердость поверхности оси, покрытой таким же количеством жидкого стекла без минералов и обработанной ультразвуком на тех же режимах, составляет 560-565 HV. Толщина покрытия 0,025 мм. Увеличение параметра твердости материала в покрытии - 63%. Расход минерального материала составил 1,07 по отношению к количеству минерала в покрытии.

Приведенные примеры показывают, что заявленный способ позволяет получить поверхностные минеральные слои с контролируемыми свойствами, обеспечивающими заданные условия.

Источники информации

1. SU 1601426 АС. Способ формирования сервовитной пленки на трущихся поверхностях и состав для формирования сервовитной пленки на трущихся поверхностях. 23.10.90. Бюл. №39.

2. RU 2043393. Твердосмазочное покрытие. 10.09.95. Бюл. №25.

3. RU 2129461. Способ геоэнергетической интенсификации массообменных процессов. 27.04.99.

4. RU 2210626. Способ формирования антифрикционных покрытий на металлических поверхностях пар трения. 20.08.03. Бюл. №23.

5. Заявка №2003138028/02 (040734) от 29.12.2003 г.

6. Лазарев С.Ю. К вопросу об универсальной шкале твердости. Обогащение руд. 1997. №5 с.28-32.

7. Лазарев С.Ю., Зуев В.В. О методике оценки качества реального твердосмазочного покрытия по параметру твердости. Обогащение руд. 1998, №5, с.34-38.

8. Зуев В.В., Лазарев С.Ю. Оценка дефектности минералов и других твердых тел по критериям твердости и энергоплотности. Обогащение руд, 1999, №5, с.18-22. Лазарев С.Ю. Новая методика количественной оценки адгезионной способности минералов и других твердых тел. Обогащение руд 2001, №6. С 13-17.

9. Катков М.С., Лазарев С.Ю. Метод оценки механических и триботехнических параметров веществ по твердости поверхностных слоев образцов, применительно к технологии минеральных покрытий. Сб. докл. Международной научно-практической конференции "Качество поверхностного слоя деталей машин (КПС-2003)". С.92-95.

10. Лазарев С.Ю. Об оценке механических характеристик идеальных структур и уравнениях состояния веществ. Научно-технический Internet-журнал. www.tribo.ru ТРЕНИЕ ИЗНОС СМАЗКА. 2003 г. Том 5. №2. С.34-43.

11. В.В.Зуев, С.Ю.Лазарев. Природные минеральные материалы в современной технике. Теория и практика применения. РАН, Министерство образования и науки РФ, ВАК. Труды XXIV Российской школы "Наука и технологии". Том 2. С.149-159. М., 2004 г.

12. Лазарев С.Ю. Новая методика количественной оценки адгезионной способности минералов и других твердых тел. Обогащение руд 2001, №6. С 13-17.

1. Способ формирования минеральных покрытий поверхностей деталей из металлов и сплавов, отличающийся тем, что осуществляют напрессовывание на поверхность детали заданного количества мелкодисперсного минерального порошка выбранного материала, который удерживают на поверхности за счет приложения давления, с одновременным пластическим деформированием поверхностных слоев путем вращательного или поступательного перемещения детали относительно ультразвукового инструмента, при этом для получения покрытий с наперед заданными свойствами устанавливают следующие параметры режима ультразвуковой обработки поверхности: давление предварительного прижатия - соответствующим пределу упругости материала формируемого покрытия, меньший радиус индентора ультразвукового наконечника тороидальной формы - от 0,5 до 5 мм в зависимости от размеров детали и твердости материала основы в соответствии со значениями размеров стандартных шариков при измерении твердости по Бринеллю, величину амплитуды колебаний ультразвукового индентора - не меньшей, чем толщина слоя формируемого минерального покрытия, мощность ультразвукового инструмента выбирают по величине объемной удельной энергии пластической деформации материалов поверхностного слоя, определенной при глубине зоны пластической деформации, равной 10 амплитудам колебаний индентора выбранной геометрии наконечника при одном проходе по обрабатываемой поверхности детали.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дисперсность минерального порошка не более 100 мкм.