Способ ультразвукового поверхностного упрочнения деталей из конструкционных сталей в жидкой среде



Способ ультразвукового поверхностного упрочнения деталей из конструкционных сталей в жидкой среде
Способ ультразвукового поверхностного упрочнения деталей из конструкционных сталей в жидкой среде

 

C21D1/04 - Изменение физической структуры черных металлов; устройства общего назначения для термообработки черных или цветных металлов или сплавов; придание ковкости металлам путем обезуглероживания, отпуска или других видов обработки (цементация диффузионными способами C23C; поверхностная обработка металлов, включающая по крайней мере один процесс, предусмотренный в классе C23, и по крайней мере другой процесс, охватываемый этим подклассом, C23F 17/00; однонаправленное отвердевание эвтектики или однонаправленное разделение эвтектик C30B)

Владельцы патента RU 2550684:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)" (RU)

Изобретение относится к области металлургии. Для повышения поверхностной твердости деталей без нарушения качества поверхности деталь подвергают ультразвуковому воздействию в емкости с жидкой средой с помещенным в ней источником акустического излучения с частотой акустических колебаний fрц 20-30 кГц в течение τ=30-45 минут с амплитудой колебательных смещений ξ=7-40 мкм. При обработке деталей из стали 40X амплитуду колебательных смещений выбирают в пределах ξ=15-40 мкм. 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 22 пр.

 

Изобретение относится к области ультразвуковой обработки и может быть использовано для поверхностного упрочнения конструкционных сталей при ультразвуковой обработке в жидких средах.

Известен способ упрочнения конструкционных сталей путем ультразвукового поверхностного пластического деформирования, который проводят с определенной силой прижима Fn и амплитудой колебательных смещений ξ (см. Абрамов В.О., Абрамов О.В., Артемьев В.В. и др. Мощный ультразвук в металлургии и машиностроении. - М.: Янус-К, 2006. - с.438).

Недостатком известного способа является то, что при этом на поверхностном слое обрабатываемого изделия в результате многократного деформирования сохраняются неровности (поверхностная шероховатость), что требует дополнительной обработки поверхности изделия.

Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности является принятый в качестве прототипа способ ультразвуковой очистки изделий, в котором предусмотрено воздействие на изделие, помещенное в рабочую емкость с жидкостью, ультразвуковыми колебаниями от основного высокоамплитудного источника излучения с амплитудой колебательных смещений ξ=15-50 мкм и частотой fрц=20-30 кГц (см. патент РФ №2378058, МКИ B08B 3/12, опубл. 10.01.2010).

Недостатком известного способа является то, что при ультразвуковой очистке в жидкостях возникают эрозионные процессы, необходимые для удаления загрязнений, но которые могут приводить к разрушению поверхности изделия.

Технической задачей, решаемой настоящим изобретением, является повышение поверхностной твердости деталей из конструкционных сталей без нарушения качества поверхности.

Поставленная техническая задача решается тем, что в способе ультразвукового поверхностного упрочнения деталей из конструкционных сталей в жидкой среде, включающем погружение в жидкую среду детали и источника акустического излучения и последующее ультразвуковое воздействие на деталь с частотой акустических колебаний fрц 20-30 кГц, согласно изобретению обработку проводят с амплитудой колебательных смещений в пределах ξ=7-40 мкм при длительности процесса τ=30-45 мин, при этом расстояние между деталью и источником акустического излучения выдерживает в пределах l=3-6 мм.

На решение поставленной технической задачи направлено и то, что для деталей из армко-железа амплитуду колебательных смещений выбирают в пределах ξ=7-15 мкм.

На решение поставленной технической задачи направлено также и то, что для деталей из стали 40x амплитуду колебательных смещений выбирают в пределах ξ=15-40 мкм.

Решение поставленной задачи достигается благодаря возникновению процесса кавитации вблизи поверхности изделия за счет использования источника ультразвуковых колебаний. При этом возникают зоны кавитационных пузырьков, характеризующихся пульсирующим характером колебаний давления. При выдержки амплитуды акустических колебаний в пределах ξ=7-40 мкм и времени обработки в течение τ=30-45 мин. поверхность изделий значительно упрочняется без ухудшения качества поверхности, т.е. без эрозии.

Способ поверхностного упрочнения деталей из конструкционных сталей в жидкой среде включает погружение в жидкую рабочую среду детали и источника акустического излучения, который располагают на расстоянии l=3-6 мм от обрабатываемой поверхности. Затем оказывают последующее ультразвуковое воздействие на деталь с частотой акустических колебаний fрц=20-30 кГц. Согласно способу обработку проводят с амплитудой колебательных смещений в пределах ξ=7-40 мкм и длительностью процесса τ=30-45 мин. Причем для деталей из армко-железа амплитуду колебательных смещений выбирают в пределах ξ=7-15 мкм, для деталей из стали 40x амплитуду колебательных смещений выбирают в пределах ξ=15-40 мкм.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Предварительно деталь помещают в рабочую емкость с жидкой средой при комнатной температуре. Затем в жидкой среде к поверхности детали подводят источник акустического излучения - пьезоэлектрический преобразователь, на расстояние l=3-6 мм с амплитудой колебательных смещений ξ=7-40 мкм, время воздействия составляет τ=20-60 мин.

Предполагаемый способ опробован на образцах из армко-железа, поверхность которых была предварительно отшлифована. Осуществимость и преимущество демонстрируются на представленных ниже примерах 1-22.

Примеры

1. Обработка образцов из армко-железа. Образцы подвергали кавитационному воздействию в жидкой среде с амплитудой колебательных смещений ξ=7 мкм в течение τ=20 минут, пьезоэлектрический преобразователь находился на расстоянии l=3-6 мм от образца. Значение микротвердости составило 2600 мПа, толщина обработанного слоя n=18 мкм, при этом эрозия на поверхности не образуется.

2. Обработка образцов из армко-железа. Образцы подвергали кавитационному воздействию в жидкой среде с амплитудой колебательных смещений ξ=7 мкм в течение τ=30 минут, пьезоэлектрический преобразователь находился на расстоянии l=3-6 мм от образца. Значение микротвердости составило 2700 мПа, толщина обработанного слоя n=20 мкм, при этом эрозия на поверхности не образуется.

3. Обработка образцов из армко-железа. Образцы подвергали кавитационному воздействию в жидкой среде с амплитудой колебательных смещений ξ=7 мкм в течение τ=45 минут, пьезоэлектрический преобразователь находился на расстоянии l=3-6 мм от образца. Значение микротвердости составило 2900 мПа, толщина обработанного слоя n=30 мкм, при этом эрозия на поверхности не образуется.

4. Обработка образцов из армко-железа. Образцы подвергали кавитационному воздействию в жидкой среде с амплитудой колебательных смещений ξ=7 мкм в течение τ=60 минут, пьезоэлектрический преобразователь находился на расстоянии l=3-6 мм от образца. Значение микротвердости составило 3000 мПа, толщина обработанного слоя n=40 мкм, при этом на поверхности образуются эрозионные кратеры.

5. Обработка образцов из армко-железа. Образцы подвергали кавитационному воздействию в жидкой среде с амплитудой колебательных смещений ξ=15 мкм в течение τ=20 минут, пьезоэлектрический преобразователь находился на расстоянии l=3-6 мм от образца. Значение микротвердости составило 2700 мПа, толщина обработанного слоя n=40 мкм, при этом эрозия на поверхности не образуется.

6. Обработка образцов из армко-железа. Образцы подвергали кавитационному воздействию в жидкой среде с амплитудой колебательных смещений ξ=15 мкм в течение τ=30 минут, пьезоэлектрический преобразователь находился на расстоянии l=3-6 мм от образца. Значение микротвердости составило 2800 мПа, толщина обработанного слоя n=45 мкм, при этом эрозия на поверхности не образуется.

7. Обработка образцов из армко-железа. Образцы подвергали кавитационному воздействию в жидкой среде с амплитудой колебательных смещений ξ=15 мкм в течение τ=45 минут, пьезоэлектрический преобразователь находился на расстоянии l=3-6 мм от образца. Значение микротвердости составило 3000 мПа, толщина обработанного слоя n=50 мкм, при этом эрозия на поверхности не образуется.

8. Обработка образцов из армко-железа. Образцы подвергали кавитационному воздействию в жидкой среде с амплитудой колебательных смещений ξ=15 мкм в течение τ=60 минут, пьезоэлектрический преобразователь находился на расстоянии 1=3-6 мм от образца. Значение микротвердости составило 3100 мПа, толщина обработанного слоя n=55 мкм, при этом эрозия на поверхности не образуется.

9. Обработка образцов из армко-железа. Образцы подвергали кавитационному воздействию в жидкой среде с амплитудой колебательных смещений ξ=30 мкм в течение τ=20 минут, пьезоэлектрический преобразователь находился на расстоянии 1=3-6 мм от образца. Значение микротвердости составило 2800 мПа, толщина обработанного слоя n=50 мкм, при этом эрозия на поверхности не образуется.

10. Обработка образцов из армко-железа. Образцы подвергали кавитационному воздействию в жидкой среде с амплитудой колебательных смещений ξ=30 мкм в течение τ=30 минут, пьезоэлектрический преобразователь находился на расстоянии 1=3-6 мм от образца. Значение микротвердости составило 3000 мПа, толщина обработанного слоя n=75 мкм, при этом на поверхности образуются эрозионные кратеры.

Результаты испытаний из армко-железа приведены в таблице 1.

Исследование деталей-образцов из стали 40X рассмотрены на примерах 11-22.

11. Обработка образцов из стали 40X. Образцы подвергали кавитационному воздействию в жидкой среде с амплитудой колебательных смещений ξ=15 мкм в течение τ=20 минут, пьезоэлектрический преобразователь находился на расстоянии l=3-6 мм от образца. Значение микротвердости составило 2700 мПа, толщина обработанного слоя n=40 мкм, при этом эрозия на поверхности не образуется.

12. Обработка образцов из стали 40X. Образцы подвергали кавитационному воздействию в жидкой среде с амплитудой колебательных смещений ξ=15 мкм в течение τ=30 минут, пьезоэлектрический преобразователь находился на расстоянии l=3-6 мм от образца. Значение микротвердости составило 3000 мПа, толщина обработанного слоя n=50 мкм, при этом эрозия на поверхности не образуется.

13. Обработка образцов из стали 40X. Образцы подвергали кавитационному воздействию в жидкой среде с амплитудой колебательных смещений ξ=15 мкм в течение τ=45 минут, пьезоэлектрический преобразователь находился на расстоянии l=3-6 мм от образца. Значение микротвердости составило 3200 мПа, толщина обработанного слоя n=50 мкм, при этом эрозия на поверхности не образуется.

14. Обработка образцов из стали 40X. Образцы подвергали кавитационному воздействию в жидкой среде с амплитудой колебательных смещений ξ=15 мкм в течение τ=60 минут, пьезоэлектрический преобразователь находился на расстоянии l=3-6 мм от образца. Значение микротвердости составило 3300 мПа, толщина обработанного слоя n=70 мкм, при этом на поверхности образуются эрозионные кратеры.

15. Обработка образцов из стали 40X. Образцы подвергали кавитационному воздействию в жидкой среде с амплитудой колебательных смещений ξ=30 мкм в течение τ=20 минут, пьезоэлектрический преобразователь находился на расстоянии l=3-6 мм от образца. Значение микротвердости составило 2900 мПа, толщина обработанного слоя n=45 мкм, при этом эрозия на поверхности не образуется.

16. Обработка образцов из стали 40X. Образцы подвергали кавитационному воздействию в жидкой среде с амплитудой колебательных смещений ξ=30 мкм в течение τ=30 минут, пьезоэлектрический преобразователь находился на расстоянии l=3-6 мм от образца. Значение микротвердости составило 3000 мПа, толщина обработанного слоя n=65 мкм, при этом эрозия на поверхности не образуется.

17. Обработка образцов из стали 40X. Образцы подвергали кавитационному воздействию в жидкой среде с амплитудой колебательных смещений ξ=30 мкм в течение τ=45 минут, пьезоэлектрический преобразователь находился на расстоянии l=3-6 мм от образца. Значение микротвердости составило 3100 мПа, толщина обработанного слоя n=70 мкм, при этом эрозия на поверхности не образуется.

18. Обработка образцов из стали 40X. Образцы подвергали кавитационному воздействию в жидкой среде с амплитудой колебательных смещений ξ=30 мкм в течение τ=60 минут, пьезоэлектрический преобразователь находился на расстоянии l=3-6 мм от образца. Значение микротвердости составило 3200 мПа, толщина обработанного слоя n=70 мкм, при этом на поверхности образуются эрозионные кратеры.

19. Обработка образцов из стали 40X. Образцы подвергали кавитационному воздействию в жидкой среде с амплитудой колебательных смещений ξ=40 мкм в течение τ=20 минут, пьезоэлектрический преобразователь находился на расстоянии l=3-6 мм от образца. Значение микротвердости составило 3000 мПа, толщина обработанного слоя n=50 мкм, при этом эрозия на поверхности не образуется.

20. Обработка образцов из стали 40X. Образцы подвергали кавитационному воздействию в жидкой среде с амплитудой колебательных смещений ξ=40 мкм в течение τ=30 минут, пьезоэлектрический преобразователь находился на расстоянии l=3-6 мм от образца. Значение микротвердости составило 3100 мПа, толщина обработанного слоя n=70 мкм, при этом эрозия на поверхности не образуется.

21. Обработка образцов из стали 40X. Образцы подвергали кавитационному воздействию в жидкой среде с амплитудой колебательных смещений ξ=40 мкм в течение τ=45 минут, пьезоэлектрический преобразователь находился на расстоянии l=3-6 мм от образца. Значение микротвердости составило 3100 мПа, толщина обработанного слоя n=70 мкм, при этом эрозия на поверхности не образуется.

22. Обработка образцов из стали 40X. Образцы подвергали кавитационному воздействию в жидкой среде с амплитудой колебательных смещений ξ=40 мкм в течение τ=60 минут, пьезоэлектрический преобразователь находился на расстоянии l=3-6 мм от образца. Значение микротвердости составило 3200 мПа, толщина обработанного слоя n=70 мкм, при этом на поверхности образуются эрозионные кратеры.

Результаты испытаний образцов из стали 40X приведены в таблице 2.

Таким образом, из таблица видно, что вновь заявляемый способ по сравнению с прототипом позволяет повысить поверхностную твердость деталей из армко-железа и конструкционных сталей без изменения качества поверхности. При этом оптимальное значение амплитуды колебательных смещений составляет ξ=7-40 мкм при длительности ультразвуковой обработки τ=30-45 минут. Видно, что с увеличением содержания углерода в стали для достижения максимальной толщины упрочненного слоя требуется амплитуда колебательных смещений до ξ=40 мкм для стали 40X. Дальнейшее увеличение параметра приводит к эрозионному разрушению поверхностного слоя деталей.

В результате описанного выше акустического воздействия вблизи поверхности металла формируются масса многократно захлопывающихся пузырьков, которые активируют процесс повышения микронапряжений, увеличения плотности дислокаций и измельчения зерна. В результате развития ультразвуковой кавитации на поверхности деталей возникает поверхностная пластическая деформация. По характеру производимого действия и по длительности существования в акустическом поле кавитационные пузырьки разделяют на захлопывающиеся и пульсирующие. При захлопывании кавитационного пузырька возникает ударная волна, развивающая значительные давления. Многократное воздействие в одной и той же области большого количества отдельных захлопывающихся пузырьков приводит к повышению плотности дислокаций, которая носит накопительный характер. В начале воздействия пузырьков на поверхности преобладают упругие деформации, затем, накапливаясь по величине, деформации становятся пластическими, и при повышении критических значений деформации может произойти разрушение металла. Испытания показали, что после воздействия ультразвуковой кавитации, длительность которой лежит в пределах τ=30-45 минут, наблюдается повышение твердости, что вызвано измельчением зерна и повышением плотности дислокаций без образования эрозий.

Таким образом, изобретение позволяет повысить поверхностную твердость деталей из конструкционных сталей без нарушения качества поверхности.

1. Способ ультразвукового поверхностного упрочнения деталей из конструкционных сталей в жидкой среде, включающий погружение в жидкую среду детали и источника акустического излучения и последующее ультразвуковое воздействие на деталь с частотой акустических колебаний 20-30 кГц, отличающийся тем, что ультразвуковое воздействие на деталь проводят с амплитудой колебательных смещений в пределах 7-40 мкм при длительности процесса 30-45 минут, при этом расстояние между деталью и источником акустического излучения выдерживают в пределах 3-6 мм.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на детали из стали 40X ультразвуковое воздействие проводят с амплитудой колебательных смещений в пределах 15-40 мкм.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к ножницам для резки длинномерного проката. Ножницы содержат по меньшей мере одно лезвие, изготовленное из стали, химическая композиция которой, выраженная в массовых процентах, состоит из 0,45-0,55% углерода, 0,10-0,30% кремния, 0,20-0,50% марганца, 4,00-5,50% хрома, 2,00-3,00% молибдена, 0,45-0,65% ванадия, остальное - железо и неизбежные примеси и микроструктура которой состоит из отпущенного мартенсита.

Изобретение относится к способу нанесения наноалмазного материала комбинированной электромеханической обработкой и может быть использовано в машиностроительной, авиационной, автомобильной и других отраслях промышленности.
Изобретение относится к области черной металлургии, конкретнее к способам обработки высокопрочных аустенитных сталей, и может быть использовано, например, для изготовления высоконагруженных деталей в машиностроении.

Изобретение относится к области обработки металлов давлением. .
Изобретение относится к черной металлургии, конкретнее к эксплуатации оборудования доменной печи. .

Изобретение относится к упрочнению металлических деталей и может быть использовано для повышения долговечности и ресурса деталей. .

Изобретение относится к обработке металлов давлением с использованием интенсивной пластической деформации и предназначено для получения нанокристаллической структуры материалов с увеличенным уровнем механических свойств.

Изобретение относится к обработке металлов давлением с использованием интенсивной пластической деформации и предназначено для получения нанокристаллической структуры материалов с увеличенным уровнем механических свойств.

Изобретение относится к железнодорожному транспорту. .
Изобретение относится к области термической обработки и может найти применение в машиностроении. Для повышения качества поверхности деталей благодаря повышению эффективности действия титана по раскислению расплава, особенно качества поверхности острых кромок инструмента с сохранением их высокой твердости, осуществляют погружение инструмента в расплав соли, нагревают его до температуры термообработки и затем охлаждают, при этом расплав соли в ванне раскисляют титаном.

Изобретение относится к быстродействующему способу лазерного нанесения насечек, при котором используется установка лазерного устройства для одновременного нанесения линий насечек на верхнюю и на нижнюю поверхности полосы текстурированной кремнистой электротехнической стали, подаваемой и продвигаемой вперед по производственной линии, с помощью луча лазера непрерывного действия с высокой степенью фокусировки, при этом линии насечек, нанесенные на верхнюю поверхность, и линии насечек, нанесенные на нижнюю поверхность, имеют одинаковое расстояние между соседними линиями насечек, но смещены относительно друг друга для равномерного снижения потерь в железе.

Изобретение относится к области термомеханической обработки и может быть использовано для изготовления ответственных элементов конструкций, крепежных изделий различного назначения.

Изобретение относится к способу изготовления текстурированного листового стального изделия с минимизированными потерями на перемагничивание и оптимизированными магнитострикционными свойствами.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к технологии упрочнения резьбовых изделий с трапецеидальной резьбой, и может быть использовано для упрочнения резьбы в изделиях, работающих при повышенных нагрузках.
Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для термической обработки режущего инструмента, например протяжек небольшого диаметра, метчиков и других мелких инструментов.

Изобретение является способом и относится к технологии модификации поверхностных слоев изделий из металлических материалов. Изобретение может быть использовано для модификации поверхности металлообрабатывающего инструмента и деталей машин в инструментальной, сельскохозяйственной, автомобильной, металлургической промышленности и др.

Изобретение относится к литейному производству. Для повышения качества защиты стальных отливок от обезуглероживания, в частности минимизации толщины обезуглероженного слоя, отливки помещают в контейнер и засыпают их карбюризатором, в качестве которого используют смесь древесного угля и отработанной парафино-стеариновой модельной композиции в соотношении (2,3-2,5):1, а количество карбюризатора составляет 20-25% объема садки.

Изобретение относится к способу контроля охлаждения движущейся полосы (в) в охлаждающей секции линии непрерывной обработки и к охлаждающей секции непрерывной обработки полосы.
Изобретение относится к области металлообработки и может найти применение в машиностроении. Техническим результатом изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик оправок за счет значительного повышения их жёсткостных и демпфирующих параметров.

Изобретение относится к производству текстурированных листов из электротехнической стали, в частности к сепаратору отжига. Сепаратор отжига имеет следующий состав, мас.%: порошок Al2O3 - 77-98, порошок оксида щелочноземельного металла - 1-8, хлорид щелочного металла и/или хлорид щелочноземельного металла - 1-15. Технический результат заключается в исключении образования стекловидного подслоя на поверхности стального листа в процессе высокотемпературного отжига и получении листа с гладкой поверхностью и стабильными магнитными свойствами. 3 з.п. ф-лы, 3 табл., 4 ил.
Наверх