Способ получения поверхностного нанокомпозиционного слоя на деталях из металлов или сплавов

Изобретение относится к нанотехнологиям и предназначено для изменения механических, химических, электрофизических свойств деталей машин из металлов или сплавов. На детали из металлов или сплавов наносят слой нанокомпозитного состава, содержащего оксид кремния, растворенный в литоле. Затем слой облучают электромагнитным полем высокой частоты f=3÷5 МГц в течение заданного интервала времени t=5-15 секунд, выбранного в зависимости от геометрических размеров детали. Проводят нагрев поверхностного слоя обрабатываемой детали за счет «скин-эффекта» до температуры в диапазоне от 700 до 900°С и осуществляют блокировку дислокации поверхностного слоя положительными ионами тяжелых металлов методом электромеханической имплантации за счет пропускания постоянного электрического тока через контакт деталь - имплантируемый упрочняющий металл. Получаются наноструктурные износостойкие поверхности, предназначенные для упрочнения поверхностного слоя деталей машин цилиндрической формы и резьбовых поверхностей. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Настоящее изобретение относится к нанотехнологиям и предназначено для изменения механических, химических, электрофизических свойств различных деталей машин из металлов или сплавов путем изменения структуры и состава поверхностного слоя обрабатываемых деталей.

Преимущественно изобретение предназначено для упрочнения поверхностного слоя деталей машин цилиндрической формы и резьбовых поверхностей методом электромеханической имплантации ионов тяжелых металлов. Кроме того, предлагаемый способ может быть использован для формирования поверхностного слоя различных деталей машин с заранее заданными физико-механическими и химическими свойствами.

Известен способ для изменения механических, химических, электрофизических свойств приповерхностных слоев металлов, сплавов, полупроводников, диэлектриков и других материалов путем нанесения покрытий или изменения состава поверхностных слоев ионной имплантацией. См., например, пат. РФ №2238999 С1, МПК C23C 14/48, H01J 37/317. Способ импульсно-периодической имплантации ионов и плазменного осаждения покрытий // Рябчиков А.И. (RU), Рябчиков И.А. (RU), Степанов И.Б. (RU) - Опубл. БИ №12, 27.10.2004. Недостатком известного способа является необходимость помещать каждую обрабатываемую деталь в вакуумную камеру, что значительно увеличивает технологическое время обработки детали и повышает стоимость вспомогательного оборудования и изготовляемой детали. Указанный недостаток обусловлен тем, что плазма для ионной имплантации формируется непрерывным вакуумно-дуговым разрядом.

Известен также способ статического формообразования внутренних резьб и профилей, включающий пластическое деформирование металла метчиком с раздвижными деформируемыми элементами. В данном способе к резьбовым деформирующим элементам метчика осуществляют приложение периодической динамической нагрузки, посредством бойка, смонтированного в корпусе генератора механических импульсов, радиальное перемещение деформирующих элементов к центру производят посредством стягивающей пружины, а возврат корпуса метчика в исходное положение после каждого ударного импульса осуществляют пружиной возврата. См., например, пат. РФ №2241579 С1, МПК B23G 5/06, B23P 15/52, B24B 39/00, B21H 3/08. Способ статико-импульсного формообразования и упрочнения внутренних резьб и профилей // Ю.С.Степанов, А.В.Киричек и др. - Опубл. БИ №12, 10.12.2004. Недостатками известного способа являются наличие остаточных микротрещин на поверхности образца, возникающих в результате обработкой давлением, которые существенно снижают прочность обрабатываемых резьб и профилей, а также сложность конструкции метчика с раздвижными деформируемыми элементами, что в значительной степени увеличивает стоимость технологического процесса и затрудняет его обслуживание.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому способу является способ упрочнения поверхностей деталей с одновременным нанесением композиционных покрытий, включающий пластическую деформацию поверхности перемещением инструмента, подачу в зону обработки жидкости, содержащей хлорид меди, растворенный в глицерине, высокодисперсные порошки меди и никеля, ацетамид, мочевину, воду, при этом инструмент перемещают в продольном и перпендикулярном направлениях, а обработку поверхностей деталей проводят в два этапа, при этом на первом этапе в зону обработки подают жидкость, дополнительно содержащую дисульфид молибдена, а на втором этапе изменяют усилие деформирования и подают раствор суспензии на основе этилового спирта, содержащей ультрадисперсный порошок политетрафторэтилена, спирт этиловый, при этом инструменту дополнительно сообщают перемещение в продольном и перпендикулярном направлениях с изменением усилия деформирования. См., например, пат. РФ №2235150 С1, МПК C23C 26/00. Способ упрочнения поверхностей деталей с одновременным нанесением композиционных покрытий // Берсудский А.Л. (RU), Малышева Н.С. (RU) и др. - Опубл. БИ №10, 27.08.2004.

Недостатками известного способа являются сложный состав композиционных покрытий, многоэтапность технологических операций, а также сложность конструкции механизма перемещения деформирующего инструмента в продольном и перпендикулярном направлениях с одновременным изменением усилия деформирования.

Указанные недостатки приводят к повышению стоимости технологического процесса, увеличению времени обработки поверхности и понижению прочности поверхностного слоя обрабатываемой детали.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение прочности поверхностного слоя металлических деталей посредством формирования поверхностного нанокристаллического слоя на поверхности детали с заданными физико-химическими свойствами, такими как антикоррозионные и антифрикционные.

Это обеспечивается тем, что предложен способ, в котором упрочняют поверхностный слой детали с одновременным нанесением композиционных покрытий, согласно изобретению на обрабатываемую поверхность детали предварительно наносят слой нанокомпозитного состава, содержащий оксид кремния SiO₂, растворенный в литоле, затем слой облучают электромагнитным полем высокой частоты f=3÷5 МГц в течение заданного интервала времени t=5÷15 секунд, выбранного в зависимости от геометрических размеров детали, проводят нагрев поверхностного слоя обрабатываемой детали за счет «скин-эффекта» до температуры в диапазоне от 700 до 900°С и осуществляют блокировку дислокации поверхностного слоя положительными ионами тяжелых металлов методом электромеханической имплантации за счет пропускания постоянного электрического тока через контакт деталь (катод) - анод из имплантируемого упрочняющего металла.

При этом на поверхности металлических деталей создают поверхностный нанокристаллический слой толщиной h=0,1÷1,0 мкм с антифрикционными свойствами путем подбора материала анода из имплантируемого упрочняющего металла в виде проволоки из сплавов - Б83 (баббит), Бр010Ф1 (бронза), ЛЦ16К4 (латунь), А09-2 (алюминиевый сплав) и режимов пропускания электрического тока - сила тока I=5÷10 А, время пропускания тока t=30÷60 с.

Кроме того, на поверхности металлических деталей создают поверхностный нанокристаллический слой толщиной h=0,1÷1,0 мкм с антикоррозионными свойствами путем подбора материала анода из имплантируемого упрочняющего металла в виде проволоки из сплавов - БрОЦ4-3, В95, АЛ3 и режимов пропускания электрического тока - сила тока I=5÷10 А, время пропускания тока t=30÷60 с.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 приведена принципиальная блок-схема ВЧ-установки.

На фиг.2 приведена установка электромеханической имплантации положительных ионов.

На фиг.3 приведены результаты сравнительных экспериментальных исследований зависимости суммарного числа N_c импульсов акустической эмиссии (АЭ) для исследованных образцов (1-ТТ, 2-ТТ, 3-ПТ, 4-ПТ) в зависимости от величины механического напряжения σ в режиме одноосной деформации - продольного растяжения.

На фиг.4 приведен сводный график зависимости суммарного числа N_c импульсов АЭ для цилиндрических металлических стержней с различным покрытием от величины механического напряжения σ в режиме одноосной деформации - продольного растяжения.

ВЧ-установка (фиг.1) содержит:

1 - однослойная ВЧ-катушка индуктивности;

2 - каркас катушки индуктивности;

3 - конденсатор переменной емкости;

4 - резонансный усилитель мощности высокой частоты (УМ);

5 - генератор синусоидальных высокочастотных электрических колебаний (ГВЧ);

6 - обрабатываемая деталь.

Основным элементом установки является ВЧ-катушка 1, образованная каркасом 2, изготовленным из кварцевой трубки, диаметром 20 мм, на внешнюю поверхность которой медным посеребренным проводом, диаметром 1,5 мм, намотана однослойная катушка индуктивности с принудительным шагом 2 мм. Длина намотки составляет ~60 мм. Параллельно выводам катушки 1 подключается конденсатор переменной емкости 3, которые в сочетании образуют колебательный ВЧ-контур. Выводы катушки 1 с помощью коаксиального ВЧ-кабеля подключаются к выходу резонансного усилителя мощности 4 высокой частоты (УМ), вход которого подключен к выходу 5 генератора синусоидальных высокочастотных электрических колебаний (ГВЧ). Настройка колебательного ВЧ-контура в резонанс с частотой генератора 5 осуществляется подстройкой емкости конденсатора 3. Обрабатываемая часть металлической детали 6 вводится во внутренний объем ВЧ-катушки 1 и в течение заданного интервала времени τ₁=5-15 секунд осуществляется ВЧ-нагрев поверхностного слоя детали за счет «скин-эффекта». Время τ₁ ВЧ-облучения подбирается исходя из требуемой температуры нагрева (t=700-900°С) и глубины прогрева h поверхностного слоя металлической детали.

Частота электромагнитного ВЧ-поля выбирается в интервале частот f=3-5 МГц и соответствует достижению необходимой глубины проникновения электромагнитной волны вглубь поверхности металлической детали.

Глубина проникновения тока (электромагнитного поля) вглубь металла рассчитывается по формуле:

где ρ - удельное электрическое сопротивление материала (металла) детали, ω=2πf - циклическая частота электромагнитного ВЧ-поля, µ_о - магнитная постоянная, µ - магнитная проницаемость металла. В соответствии с проведенными расчетами получено, что для стальных деталей при заданной частоте ВЧ-генератора f=3-5 МГц глубина проникновения электромагнитного поля вглубь металла составляет h=10-100 мкм.

Установка для закрепления дислокации, микротрещин и формирования на поверхности металлических деталей поверхностного нанокристаллического слоя с заданными физико-химическими свойствами методом электромеханической имплантации положительных ионов (фиг.2) содержит:

6 - обрабатываемая часть металлической детали (катод);

7 - патрон вращающегося вала электродвигателя;

8 - источник постоянного тока;

9 - амперметр;

10 - соединительный провод;

11 - графитовый стержень;

12 - тонкий цилиндрический проводник - имплантируемый упрочняющий металл (анод);

13 - электрический неподвижный зажим - контакт;

14 - неподвижный блок.

Обрабатываемая деталь 6 (например, цилиндрический вал или резьбовое соединение) закрепляется в патрон 7 вращающегося вала электродвигателя (на фиг.2 не показан). Отрицательный полюс источника постоянного тока 8 через амперметр 9, соединительный провод 10 и графитовый стержень 11 подводится путем касания (прижима) к цилиндрической гладкой поверхности обрабатываемой детали 6. Положительный полюс источника постоянного тока 8 через соединительный провод 10 подключен к тонкому цилиндрическому проводнику - имплантируемому металлу (анод) 12 (например, тонкий медный провод), который с определенным механическим усилием прижимается к обрабатываемой поверхности детали (катод) 6. Крепление и натяжение имплантируемого проводника 12 осуществляется с помощью специального держателя, образованного электрическим неподвижным зажимом - контактом 13 и неподвижным блоком 14, снабженным спиральной пружиной, который обеспечивает необходимый механический и одновременно электрический контакт (прижим) имплантируемого металла 12 к поверхности обрабатываемой детали 6.

Использование предлагаемого способа в сравнении с известными способами обеспечивает следующие преимущества.

1) Механическая обработка предварительно облученного ВЧ-полем обрабатываемого участка детали в атмосфере НКС способствует внедрению атомов тяжелых металлов и мелкодисперсных частиц НКС в образовавшиеся поры и микротрещины на поверхностном слое после первичной механической обработки детали (например, нарезание резьбы).

2) Нагрев ВЧ-полем поверхностного слоя детали как перед, так и после механической обработки приводит к интенсивному и кратковременному (импульсному) нагреву только поверхностного слоя детали толщиной ~10-100 мкм, которое обеспечивается выбором заданного интервала частоты электромагнитного поля. При этом тонкий слой НКС защищает поверхность металлической детали от окисления и способствует процессу диффузии атомов тяжелых металлов и наночастиц НКС вглубь поверхностного слоя детали.

3) Пропускание постоянного электрического тока через контакт деталь - имплантируемый металл в атмосфере НКС в режиме механического скольжения способствует дополнительной диффузии положительных ионов и наночастиц имплантируемого металла (например, ионов меди) вглубь поверхности и тем самым способствует закрыванию микротрещин и закреплению дислокаций в поверхностном слое, образовавшихся в процессе первичной механической деформации обрабатываемой детали.

Вышеперечисленные преимущества предлагаемого способа в совокупности приводят к упрочнению поверхностного слоя и улучшению качества поверхности обрабатываемой детали посредством блокировки дислокации положительными ионами тяжелых металлов методом электромеханической имплантации при пропускании постоянного электрического тока через контакт деталь - анод из имплантируемого упрочняющего металла в режиме механического скольжения.

Примеры конкретного выполнения способа.

Пример 1. Процесс упрочнения поверхностного слоя резьбового участка детали - болта под резьбу (например, М6) состоит из следующих основных этапов.

1. Подготовительная обработка поверхности резьбовой заготовки.

2. Нанесение слоя нанокомпозитного состава (НКС) на поверхность резьбовой заготовки.

3. ВЧ-нагрев поверхностного слоя резьбовой части заготовки.

4. Нарезание резьбы предварительно охлажденной заготовки с помощью плашки.

5. Вторичное нанесение слоя НКС на резьбовой участок детали.

6. Вторичный ВЧ-нагрев резьбового участка детали.

7. Вторичное нарезание (прогонка) резьбы резьбового участка с помощью плашки.

8. Закрепление обрабатываемой детали в патрон вала электродвигателя.

9. Подключение обрабатываемого участка детали к источнику постоянного тока: отрицательный полюс - к обрабатываемой поверхности детали (катоду); положительный полюс - к проводнику из имплантируемого металла (аноду) (например, тонкого медного провода диаметром 0,5-1,0 мм).

10. Пуск вращающего вала с одновременным пропусканием постоянного тока через контакт деталь (катод) - анод из имплантируемого упрочняющего металла в режиме механического скольжения имплантируемого металла по поверхности резьбовой части детали. Сила тока I=5÷10 А, время пропускания тока t=2÷3 с.

11. Пункт 10 повторяется 20-30 раз, до получения необходимой концентрации и заданной глубины диффузии атомов имплантируемого металла в поверхностном слое обрабатываемой детали.

Используемый в данном способе НКС представляет собой нанокомпозитный состав, содержащий оксид кремния SiO₂, растворенный в литоле. Средний размер наночастиц НКС составляет к=10^-9-10^-8 м.

На первом и втором этапах поверхность металлической детали будущего резьбового соединения (заготовки), длиной 20-30 мм, предварительно обрабатывается до необходимого размера (диаметр ~6,0±0,1 мм) и на готовую поверхность резьбового участка, с помощью кисти или щетки, тонким слоем наносится нанокомпозитный состав толщиной 0,1-0,5 мм.

На третьем этапе резьбовой участок заготовки 6 вводится во внутренний объем ВЧ-катушки 1 (см. фиг.1) и в течение заданного интервала времени τ₁ осуществляется нагрев тонкого поверхностного слоя заготовки 6 за счет «скин-эффекта». Время τ₁ ВЧ-нагрева (облучения) подбирается исходя из требуемой глубины прогрева поверхностного слоя металлической детали. Частота электромагнитного ВЧ-поля составляет f=3,0 МГц и выбрана в соответствии достижения необходимой глубины проникновения электромагнитной волны вглубь поверхности облучаемого металла. Глубина проникновения электромагнитной волны вглубь поверхности облучаемого металла определяется по формуле (4.1). Величина временного интервала τ₁ зависит от мощности ВЧ-установки и от геометрических и физических параметров резьбового участка детали 6 и подбирается для каждого типа резьбового соединения расчетным или опытным путем. На основании проведенных расчетов и натурных испытаний установлено, что для используемого усилителя мощности время ВЧ-нагрева обрабатываемого резьбового участка детали М6, длиной 20 мм, составляет 5-10 секунд.

На четвертом этапе с помощью плашки на предварительно нагретом ВЧ-полем участке детали, после охлаждения до комнатной температуры, нарезается внешняя метрическая резьба заданного параметра М6.

На пятом этапе осуществляется вторичный процесс нанесения слоя НКС на резьбовую часть детали, толщиной 0,1-0,5 мм.

На шестом этапе осуществляется вторичный процесс ВЧ-нагрева резьбового участка детали, с предварительно нанесенным тонким слоем НКС, в течение заданного интервала времени τ₂, необходимого для диффузии атомов тяжелых металлов НКС, например меди, внутрь поверхностного слоя резьбового участка, а также для закрепления микрочастиц НКС на микротрещинах и микродефектах обрабатываемой поверхности детали. На основании проведенных расчетов и натурных испытаний установлено, что интервал времени τ₂ вторичного процесса ВЧ-нагрева обрабатываемого резьбового участка М6, длиной 20 мм, необходимый для диффузии атомов тяжелых металлов НКС, составляет 10-15 секунд.

На седьмом этапе осуществляется вторичное (чистовое) нарезание резьбы предварительно обработанного ВЧ-нагревом резьбового участка в атмосфере НКС с целью механического закрепления и дополнительного внедрения атомов и мелкодисперсных частиц НКС в образовавшиеся поры и микротрещины на поверхностном слое резьбовой части металлической детали после первичной нарезки резьбы.

ВЧ-нагрев поверхности детали как перед, так и после нарезки резьбы на детали приводит к интенсивному и кратковременному (импульсному) нагреву только поверхностного слоя детали толщиной 10-100 мкм. При этом нанесенный слой НКС защищает поверхность металлической детали болтового соединения от окисления в атмосфере воздуха и способствует увеличению диффузии атомов меди и наночастиц НКС вглубь поверхностного слоя детали.

Вторичная обработка резьбового соединения НКС после нарезки резьбы и ВЧ-нагрев способствуют дополнительной диффузии атомов тяжелых металлов НКС вглубь поверхности на резьбовом профиле, закрыванию микротрещин и закреплению дислокаций в поверхностном слое металла, образовавшихся в процессе первичной нарезки резьбы.

На восьмом этапе обрабатываемая деталь закрепляется в патроне вала электродвигателя.

На девятом этапе обрабатываемый участок детали подключается к источнику постоянного тока с помощью графитового стержня и тонкого провода из имплантируемого металла.

На десятом этапе осуществляется пуск вращающего вала электродвигателя с одновременным пропусканием постоянного тока через контакт деталь (катод) - анод из имплантируемого упрочняющего металла (например, тонкого медного провода) в режиме механического скольжения имплантируемого металла по поверхности резьбовой части детали.

По совокупности данные технологические мероприятия способствуют закреплению дислокации и микротрещин в поверхностном слое резьбового участка и тем самым приводят к созданию поверхностного нанокристаллического слоя на поверхности, который повышает прочность поверхностного слоя и улучшает качество поверхности резьбового соединения детали.

Для проверки эффективности предлагаемого способа были изготовлены две партии образцов: первая партия (контрольная) - ТТ, изготовленная по традиционной технологии, сравнивалась с партией образцов - ПТ, изготовленных с использованием предлагаемой технологии.

Первая партия исследуемых образцов (образец - ТТ) изготовлялась по традиционной технологии - т.е. нарезка метрической резьбы с помощью плашки в присутствии охлаждающей жидкости (СОЖ). Вторая партия образцов (образец - ПТ) изготовлялась по новой предлагаемой технологии - т.е. нарезание внешней метрической резьбы в атмосфере нанокомпозитного состава (НКС), с последующим ВЧ-нагревом электромагнитным полем.

Для диагностики и контроля процесса зарождения объемных дефектов и микротрещин (МТ) в конструкционных материалах и деталях машин использовался метод акустической эмиссии (АЭ), как наиболее эффективный и неразрушающий метод контроля микронеоднородной структуры твердых тел. В его основу положены зависимости параметров образовавшихся или распространяющихся микродефектов от параметров излучаемых ими акустических волн, полученных в режиме одноосной упругой деформации испытуемой детали.

Испытания исследуемых образцов на растяжение проводились на разрывной машине, типа УММ-5, со скоростью перемещения траверсы 0,05 мм/мин. Режим одноосной нагрузки - продольное растяжение F изменялось от 0 до 1,65 кН; время равномерной нагрузки на образец не превышало t=10 мин. Процесс наблюдения и регистрации сигналов акустической эмиссии исследуемых образцов в режиме одноосной деформации с помощью акустической установки подробно описан в работах [1, 2].

На фиг.3 приведены результаты сравнительных экспериментальных исследований зависимости суммарного числа N_c импульсов АЭ от величины механического напряжения σ в режиме одноосной деформации для двух исследованных образцов: - образец ТТ, - образец ПТ.

По полученным экспериментальным зависимостям суммарного числа импульсов АЭ от величины механического напряжения в режиме одноосной деформации были рассчитаны параметры микронеоднородной структуры исследуемых образцов - эффективная длина микротрещин [3]. В соответствии с расчетами установлено, что отношение длин развивающихся трещин в конструкционных сталях, обработанных по традиционной и по новой технологии, связано с суммарным числом всех импульсов АЭ, регистрируемых в процессе упругой деформации, соотношением:

и на предельных участках упругой деформации в среднем составляет:

.

Таким образом, средняя длина развивающихся микротрещин, возникающих в режиме одноосной деформации в образцах - ПТ (конструкционных сталях), обработанных по предлагаемому способу, в 1,47 раза меньше средней длины развивающихся микротрещин, возникающих в режиме одноосной деформации в образцах - ТТ, обработанных по традиционной технологии.

Пример 2. В предлагаемом способе на поверхности металлических деталей создают поверхностный нанокристаллический слой толщиной h=0,1÷1,0 мкм с антифрикционными свойствами путем подбора материала анода из имплантируемого упрочняющего металла в виде проволоки из сплавов - Б83 (баббит), Бр010Ф1 (бронза), ЛЦ16К4 (латунь), А09-2 (алюминиевый сплав) и режимов пропускания электрического тока.

Процесс формирования поверхностного нанокристаллического слоя с антифрикционными свойствами рабочей поверхности цилиндрической металлической детали (например, диаметром 6 мм) состоит из следующих основных этапов.

1. Подготовительная обработка поверхности детали.

2. Нанесение слоя НКС на поверхность детали.

3. ВЧ-нагрев поверхностного слоя детали.

4. Вторичное нанесение нанокомпозитного состава на поверхность детали.

5. Закрепление обрабатываемой детали в патрон вала электродвигателя.

6. Подключение обрабатываемого участка детали к источнику постоянного тока: отрицательный полюс через графитовый стержень - к обрабатываемой поверхности детали (катоду); положительный полюс - к проводнику из имплантируемого металла (аноду) (например, тонкому цилиндрическому проводнику из сплава Б83 диаметром 0,5-1,0 мм).

7. Пуск вращающего вала с одновременным пропусканием постоянного тока через контакт деталь (катод) - анод из имплантируемого упрочняющего металла в режиме механического скольжения имплантируемого металла по поверхности резьбовой части детали. Сила тока I=5÷10 А, время пропускания тока t=2÷3 с.

8. Пункт 7 повторяется 20-30 раз, до получения необходимой концентрации и заданной глубины диффузии атомов имплантируемого металла в поверхностном слое обрабатываемой детали.

Пропускание постоянного электрического тока через контакт деталь - анод из имплантируемого металла в атмосфере ИКС в режиме механического скольжения способствует диффузии положительных ионов имплантируемого металла вглубь поверхности детали и тем самым способствует закрыванию микротрещин и закреплению дислокаций в поверхностном слое металла, образовавшихся в процессе первичной механической обработки, и тем самым улучшению качества поверхности и повышению антифрикционных свойств детали.

Пример 3. В предлагаемом способе на поверхности металлических деталей создают поверхностный нанокристаллический слой толщиной h=0,1÷1,0 мкм с антикоррозионными свойствами путем подбора материала анода из имплантируемого упрочняющего металла в виде проволоки из сплавов - БрОЦ4-3, В95, АЛ3 и режимов пропускания электрического тока.

Процесс формирования поверхностного нанокристаллического слоя с антикоррозионными свойствами рабочей поверхности цилиндрической металлической детали (например, диаметром 6 мм) состоит из следующих основных этапов.

1. Подготовительная обработка поверхности (расточка и шлифовка) заготовки - цилиндрической детали.

2. Нанесение слоя НКС на поверхность заготовки.

3. ВЧ-нагрев поверхностного слоя заготовки.

4. Вторичное нанесение слоя НКС на цилиндрический участок детали.

5. Закрепление обрабатываемой детали в патрон вала электродвигателя.

6. Подключение обрабатываемого участка детали к источнику постоянного тока: отрицательный полюс через графитовый стержень - к обрабатываемой поверхности детали (катоду); положительный полюс - к проводнику из имплантируемого металла (аноду) (например, тонкому цилиндрическому проводнику из сплава БрОЦ4-3 диаметром 0,5-1,0 мм).

7. Пуск вращающего вала с одновременным пропусканием постоянного тока через контакт деталь (катод) - анод из имплантируемого упрочняющего металла в режиме механического скольжения имплантируемого металла по поверхности резьбовой части детали. Сила тока I=5÷10 А, время пропускания тока t=2÷3 с.

8. Пункт 7 повторяется 20-30 раз, до получения необходимой концентрации и заданной глубины диффузии атомов имплантируемого металла (например, атомов хрома, никеля или вольфрама).

На фиг.4 приведен сводный график зависимости суммарного числа N_c импульсов АЭ для деталей (цилиндрических металлических стержней) с различным покрытием и детали без покрытия от величины приложенной силы F в режиме продольного растяжения: - образец с кадмиевым покрытием; - образец с медным покрытием, - образец без покрытия.

Из полученных экспериментальных результатов установлено, что режим электромеханической имплантации, т.е. покрытие поверхностного слоя элементами тяжелых металлов (меди или кадмия), приводит к существенному изменению АЭ обработанных деталей в режиме продольной деформации. Для деталей с медным и кадмиевым покрытием величина суммарного числа импульсов АЭ на горизонтальном участке почти в 3 и 4 раза соответственно меньше, чем у аналогичной детали без покрытия.

Пропускание постоянного электрического тока через контакт деталь - имплантируемый металл в атмосфере НКС в режиме механического скольжения способствует диффузии положительных ионов имплантируемого металла вглубь поверхности детали и тем самым способствует формированию антикоррозийного поверхностного слоя.

Список источников

1. Рудин А.В., Артемова Н.Е. Акустическая эмиссия при деформации и разрушении металлов // «Нива Поволжья». - Пенза, 2007, №2, с.31-34.

2. Рудин А.В., Артемова Н.Е., Келасьев В.В. Исследование микронеоднородной структуры деталей машин методом акустической эмиссии // Сборник статей IV Международной научно-технической конференции «Проблемы исследования и проектирования машин». - Пенза: Инфор.-издат. центр ПТУ, 2008 г., с.68-72.

3. Рудин А.В., Артемова Н.Е., Першенков П.П., Наумов А.С. Применение метода акустической эмиссии для оценки параметров микротрещин, развивающихся в металлах в области упругой деформации // Труды Международного симпозиума «Надежность и качество 2008» в 2-х томах / под ред. проф. Юркова. - Пенза: Инфор.-издат. центр ПГУ, 2008 г., том 2, с.16-19.

1. Способ получения поверхностного нанокомпозиционного слоя на деталях из металлов или сплавов, отличающийся тем, что на обрабатываемую поверхность детали предварительно наносят слой нанокомпозитного состава, содержащего оксид кремния SiO₂, растворенный в литоле, затем слой облучают электромагнитным полем высокой частоты f=3÷5 МГц в течение заданного интервала времени t=5-15 с, выбранного в зависимости от геометрических размеров детали, проводят нагрев поверхностного слоя обрабатываемой детали за счет «скин-эффекта» до температуры в диапазоне от 700 до 900°С и осуществляют блокировку дислокации поверхностного слоя положительными ионами тяжелых металлов методом электромеханической имплантации за счет пропускания постоянного электрического тока через контакт деталь - имплантируемый упрочняющий металл.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на поверхности металлических деталей создают поверхностный нанокристаллический слой толщиной h=0,1-1,0 мкм с антифрикционными свойствами путем подбора материала имплантируемого упрочняющего металла в виде проволоки из сплавов - Б83 (баббит), Бр010Ф1 (бронза), ЛЦ16К4 (латунь), А09-2 (алюминиевый сплав) и режимов пропускания электрического тока - сила тока I=5-10 А, время пропускания тока t=30-60 с.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что на поверхности металлических деталей создают поверхностный нанокристаллический слой толщиной h=0,1-1,0 мкм с антикоррозионными свойствами путем подбора материала имплантируемого упрочняющего металла в виде проволоки из сплавов - БрОЦ4-3, В95, АЛ3 и режимов пропускания электрического тока - сила тока I=5-10 А, время пропускания тока t=30-60 с.