Доброго времени суток, уважаемый читатель! В последний раз мы говорили о Методах и способах восстановления деталей судовых технических средств, сегодня поговорим о способах упрочнения деталей.

Термический (тепловой) — к этому способу обработки деталей относят: отжиг, нормализацию, закалку и отпуск. Этот способ обеспечивает общее упрочнение деталей.

Отжиг — температура отжига детали составляет 770-900 С. Деталь нагревают в печи от 1 до 4 ч., а затем охлаждают вместе с печью. Чем больше в стали углерода, тем ниже должна быть температура отжига. При отжиге детали крупнозернистая структура металла становится мелкозернистой. Отжиг проводят для снятия внутренних напряжений, образующихся обычно после отливки, поковки, штамповки, прокатки, наплавки и правки.

Нормализация — деталь нагревают до температуры отжига и выдерживают при этой температуре в течение 1-2 ч, а затем охлаждают на воздухе до температуры окружающей среды. Нормализацию применяют для улучшения структуры металла с целью повышения механических свойств.

Закалка — температура закалки составляет 750-900 С. Закалку применяют для стали с содержанием углерода не ниже 0,5%, так как при меньшем содержании твёрдость при закалке увеличивается незначительно. Закалка придаёт металлу высокую твёрдость и прочность.

Отпуск — закаленную деталь нагревают до температуры 150- 600 С и выдерживают при этой температуре от 5-10 минут до 1-15 ч., а затем охлаждают. Отпуск снижает закалочные напряжения и изменяет структуру стали, повышает вязкость.

К поверхностным методам упрочнения относят закалку деталей токами высокой частоты (ТВЧ), закалку в электролитах и обработку холодом.

Закалка ТВЧ — деталь нагревают в индукторе, форма которого согласуется с формой поверхности детали, подвергаемой закалке. Индуктор, при пропускании через него переменного тока высокой частоты (2500-5000 Гц), создаёт переменное магнитное поле. Время нагрева поверхности детали составляет 2-10 с. При достижении температуры закалки 750-900 С ток выключается, и подаётся вода для охлаждения. Глубина закалённого слоя шейки коленчатого вала составляет 4-7 мм.

Закалка в электролитах (в растворах солей) — осуществляется пропусканием постоянного тока напряжением 220 В через деталь (катод), погружённую в электролит (раствор Na2C03). Деталь нагревают до температуры 250-450 С.

Применение такой закалки даёт возможность увеличить износостойкость деталей в 2-5 раз и более.

Обработка холодом — детали охлаждают до температуры -80 С и ниже с последующим нагреванием до температуры окружающего воздуха. При таком охлаждении в металле происходят дополнительные превращения остаточного аустенита в мартенсит, в связи с чем повышается твёрдость и износостойкость деталей. Для уменьшения внутренних напряжений после обработки холодом детали подвергают отпуску. Детали обрабатывают холодом сразу после закалки. В качестве хладона применяют жидкий азот.

Термомеханический — этот способ объединяет две операции: обработку деталей давлением с термической обработкой.

Термохимический — к этому способу относят: цементацию (науглероживание); цианирование (насыщением углеродом и азотом); азотирование (насыщение азотом); алитирование (насыщение алюминием); силицирование (насыщение кремнием); борирование (насыщение бором); оксидирование (воронение) и др.

Цементация — искусственное повышение содержания углерода в поверхностном слое детали из малоуглеродистой стали с содержанием углерода 0,1-0,3%. При цементации повышается содержание углерода на поверхности металла глубиной 1-3 мм, середина же детали остаётся малоуглеродистой. Науглероженную деталь до 0,7-1,1% подвергают закалке.

Цианирование — способ заключается в насыщении поверхностного слоя одновременно углеродом и азотом при температуре 820-870 С. Это достигается выдержкой детали в горячих расплавленных солях, содержащих цианистые соединения. Глубина насыщения составляет около 0,25 мм. Твёрдость цианированного слоя достигает 640-780 Нв(ед. Бринелля).

Азотирование — насыщение стали азотом при температуре 480- 650 С.

Алитирование — насыщение стали алюминием.

Силицирование — насыщение стали кремнием при температуре 1100—1200°С для повышения её антикоррозийных свойств.

Борирование — насыщение стали бором для повышения твёрдости и износостойкости.

Оксидирование (воронение) — насыщение стали кислородом термическим или химическим путём для защиты деталей от коррозии. Оксидирование производят в ваннах, наполненных смесью растворов едкого натра, натриевой селитры и нитрита натрия при температуре 130-145 С в течение 1-2 ч. На поверхности образуется слой окислов Fe304 чёрного цвета толщиной 1-2,5 мкм.

Термодиффузионное — при этом способе упрочнения применяют энерговыделяющие пасты, которые намазывают на деталь и поджигаю!. При горении пасты деталь разогревается до температуры 600- 800 С, а легирующие элементы, содержащиеся в пасте диффундируют (проникают) в верхние слои детали. Через 2-3 минуты обгоревшую деталь погружают в воду для охлаждения. В качестве энерговыделяющих компонентов в пасте используют смеси кислородосодержащих веществ с порошками алюминия, магния, кальция и других металлов.

Механическое упрочнение — это преднамеренное искажение кристаллической решётки металла в результате механического воздействия на него.

Физическая сущность механического упрочнения состоит в том, что под давлением твёрдого металлического инструмента выступающие микронеровности обрабатываемой поверхности пластически деформируются, шероховатость поверхности уменьшается, поверхностный слой металла упрочняется. К механическим способам упрочнения относят:

Обкатку шариком или роликом;

Протяжку;

Дробеструйную обработку;

Алмазное упрочнение.

Обкатку шариком или роликом цилиндрических поверхностей производят на токарных станках, а плоских поверхностей — на строгальных. Ролики и шарики изготавливают из инструментальных сталей.

Обкатка шариком или роликом поверхности детали повышает её твёрдость на 40-50%, а усталостную прочность на 80-100%.

Протяжку (дорнование) применяют для упрочнения и повышения точности и чистоты обработки внутренних поверхностей деталей. Суть процесса заключается в протягивании специальной оправки (дорна) или шарика через отверстие в детали.

Дробеструйная обработка — применяется для упрочнения деталей при помощи дроби. Применение стальной дроби даёт лучшие результаты, чем чугунной. При дробеструйном наклёпе получают упрочнённый слой глубиной до 1,5 мм. Твёрдость повышается на 20-60%, а усталостная прочность — на 40-90%.

Алмазное упрочнение — инструментом служит кристалл алмаза, имеющий сферическую рабочую часть. Деталь обрабатывается алмазом в оправке, прижатым тарированной пружиной к поверхности детали, которая и упрочняется.

Электроискровой способ — основан на ударном воздействии направленного искрового электрического разряда. Между электродом из твёрдого сплава (например, стеллита) и упрочняемой поверхностью под действием пульсирующего электрического тока возникает искровой разряд, в результате чего металл с электрода (анод) переносится на деталь (катод) и обрабатываемая поверхность детали упрочняется.

Электромеханический способ —применяют для поверхностного упрочнения на глубину до 0,2-0,3 мм. При этом износостойкость повышается до 11 раз, усталостная прочность в 2-6 раз. Суть заключается в следующем. В зону контакта детали и инструмента подводят ток силой 350-1300 А, напряжением 2-6 В. Инструмент от станка изолируют. В связи с тем, что площадь контакта инструмента и детали маленькая, возникает большое сопротивление, что приводит к увеличению тепловой энергии, которая мгновенно нагревает зону контакта до высокой температуры (температуры закалки). Поверхностный слой быстро охлаждается за счёт отвода тепла внутрь детали. В итоге получается эффект поверхностной закалки на глубину 0,2-0,3 мм с одновременным поверхностным наклёпом, значительно повышающий износостойкость и усталостную прочность детали.

Лазерное упрочнение — для лазерного упрочнения деталей используют лазеры (оптические квантовые генераторы) с мощностью излучения электромагнитных волн на выходе 0,8-5 кВт. При фокусировке такого излучения на обрабатываемой поверхности концентрируется высокий уровень энергии.

Лазерный луч при воздействии на обрабатываемую поверхность детали частично отражается, а остальной поток излучения проникает на глубину 10 6-10 7 м. Высокая плотность мощности лазерного излучения позволяет практически мгновенно достигать на обрабатываемой поверхности высоких температур, а это приводит к локальной закалке тонкого приповерхностного слоя, что обеспечивает высокую твёрдость обработанных участков.

Введение

1. Механические методы поверхностного упрочнения деталей машин

1.1 Параметры состояния поверхностного слоя деталей машин

1.2 Структурные несовершенства в реальных кристаллах

2. Современные методы упрочнения металлов

2.1 Упрочнение легированием

2.2 Упрочнение пластическим деформированием

2.3 Упрочнение термическими методами

2.4 Поверхностное упрочнение

2.5 Плазменное поверхностное упрочнение деталей

2.6 Вакуумное ионно-плазменное упрочнение, ионное магнетронное распыление, ионное легирование

Заключение

Список литературы

Введение

Одним из важнейших показателей, определяющих спрос на проектируемый объект, является его качество. Обеспечение необходимого качества возможно при удовлетворении эксплуатационных требований, предъявляемых к деталям машин. Работоспособность и надежность детали обеспечиваются за счет выполнения следующих основных требований: прочности, жесткости и стойкости к различным воздействиям (износу, вибрации, температуре и др.). Выполнение требований прочности при статическом, циклическом и ударном нагружениях должно исключить возможность разрушения, а также возникновения недопустимых остаточных деформаций. Требования жесткости к детали или контактной поверхности сводятся к ограничению возникающих под действием нагрузок деформаций, нарушающих работоспособность изделия, к недоступности потери общей устойчивости для длинных деталей, подвергающихся сжатию, и местной - у тонких элементов. Должна быть обеспечена износостойкость детали, которая существенно влияет на долговечность работы механизма. Достаточно, чтобы для каждой детали выполнялись не все перечисленные выше требования, а лишь те, которые связаны с ее эксплуатацией.

1. Механические методы поверхностного упрочнения деталей машин

Требования по созданию долговечных машин можно удовлетворить не только разработкой современных конструкционных решений и применением новых высокопрочных материалов, но и путем изменений поверхностного слоя деталей машин. Процессом, обеспечивающим получение стабильных показателей по качеству поверхности, является поверхностное пластическое деформирование, которое подразделяется на сглаживающее и упрочняющее..

1 Параметры состояния поверхностного слоя деталей машин

Поверхностный слой детали - это слой, у которого структура, фазовый и химический состав отличаются от основного материала, из которого сделана деталь.

Рисунок 1. Схема поверхностного слоя детали

В поверхностном слое можно выделить следующие основные зоны (рис.1):

Адсорбированных из окружающей среды молекул и атомов органических и неорганических веществ. Толщина слоя 1 0,001 мкм;

Продуктов химического взаимодействия металла с окружающей средой (обычно оксидов). Толщина слоя 10 1 мкм;

Граничная толщиной несколько межатомных расстояний, имеющая иную, чем в объеме, кристаллическую и электронную структуру;

С измененными параметрами по сравнению с основным металлом;

Со структурой, фазовым и химическим составом, который возникает при изготовлении детали и изменяется в процессе эксплуатации. Толщина и состояние указанных слоев поверхностного слоя могут изменяться в зависимости от состава материала, метода обработки, условий эксплуатации. Оценка этого состояния осуществляется методами химического, физического и механического анализа. Многообразие параметров состояния поверхностного слоя и методов их оценки не позволяет выделить единственный параметр, определяющий качество поверхностного слоя. На практике состояние поверхностного слоя оценивается набором единичных или комплексных свойств, которые оценивают качество поверхностного слоя..

Эти параметры характеризуют:

Геометрические параметры неровностей поверхности;

Физическое состояние;

Химический состав;

Механическое состояние.

Геометрические параметры неровностей поверхности оцениваются параметрами шероховатости, регулярных микрорельефов, волнистости. Шероховатость поверхности - это совокупность неровностей с относительно малыми шагами. Примерное отношение высоты неровностей к шагу менее 50. Волнистость поверхности - это совокупность неровностей, имеющих шаг больший, чем базовая длина, используемая для измерения шероховатости. Отношение высоты к шагу более 50 и менее 1000. Волнистость в России не стандартизирована, поэтому для ее оценки используют параметры шероховатости. Регулярные микрорельефы - это неровности, которые, в отличие от шероховатости и волнистости, одинаковы по форме, размерам и взаиморасположению. Регулярный микрорельеф получают обработкой резанием или поверхностным пластическим деформированием роликами, шариками, алмазами. Физическое состояние поверхностного слоя деталей в технологии упрочнения наиболее часто характеризуется параметрами структуры и фазового состава. Структура - это характеристика металла, зависящая от методов изучения его строения.

Выделяют следующие типы структур:

Кристаллическая;

Субструктура;

Микроструктура;

Макроструктура.

Кристаллическая структура. Металлы представляют собой кристаллы с трехмерной периодичностью. Основой кристаллической структуры является трехмерная решетка, в пространстве которой располагаются атомы. В зависимости от характера расположения атомов в кристаллической решетке структуры чистых металлов разделяются на ряд типов. В реальном металле кристаллическая структура имеет множество дефектов, которые в значительной степени определяют его свойства. Совокупность дефектов решетки и их пространственное распределение в кристалле называется субструктурой. Здесь кристаллы могут 5образовывать более крупные фрагменты - кристаллиты, блоки, зерна, фрагменты, полигоны. Размер субмикрозерна: 10-2÷10-5см.

Микроструктура - это структура, определяемая с помощью металлографических микроскопов. Этот анализ позволяет определить наличие, количество и форму структурных составляющих сплава. Размер субзерна: 10-3÷10-4 см..

Макроструктура - это структура, которая определяется невооруженным глазом или при небольших увеличениях. С помощью макроанализа определяют трещины, неметаллические включения, примеси и др. Физическое состояние характеризуется числом и концентрацией фаз, распределением фаз по поверхностному слою, объемом сплава и др. Исследование физического состояния осуществляется экспериментальными методами физики твердого тела: дифракционными и микроскопическими. Химический состав характеризуется элементным составом сплава и фаз, концентрацией элементов в объеме фаз, сплава и др. Исследования химического состава поверхностного слоя позволяют оценить адсорбцию из окружающей среды молекул и атомов органических и неорганических веществ, диффузионные процессы, процессы окисления и другие, происходящие при обработке металлов.

Рисунок 2. Типы кристаллической структуры: а - объемно-центрированная кубическая; б - гранецентрированная кубическая; в - гексагонально-плотноупакованная

Механическое состояние металла определяется параметрами: - сопротивлением деформированию:

предел упругости, предел пропорциональности, предел текучести, предел прочности, твердость и др.;

пластичностью: относительное удлинение, относительное сужение, ударная вязкость и другие, устанавливаемые специальными испытаниями образцов. .

Например, в процессе пластической деформации, которая всегда сопровождает механическую обработку, все характеристики механического состояния поверхностного слоя изменяются: показатели сопротивления деформированию увеличиваются, а показатели пластичности уменьшаются.

Это явление называют деформационным упрочнением.

В инженерной практике деформационное упрочнение поверхностного слоя определяют измерением твердости Н или микротвердости. Для этого твердость измеряют на поверхности металла и внутри металла (при помощи послойного травления). В результате устанавливают толщину упрочненного слоя hH и степень деформационного упрочнения δн: δн=(Нобр-Ниск)/ Ниск, где Нобр и Ниск - соответственно твердость (микротвердость) металла после и до обработки. Важной характеристикой состояния поверхностного слоя являются остаточные напряжения. Остаточные напряжения - это упругие напряжения, которые остались в детали после обработки..

В зависимости от объема тела, в которых рассчитывают остаточные напряжения, они условно подразделяются на остаточные напряжения:

первого рода, уравновешенные в макрообъемах тела;

второго рода, уравновешенные в пределах размера зерен;

третьего рода, уравновешенные в пределах нескольких межатомных расстояний.

В зависимости от характера и интенсивности физико-механических процессов, происходящих при обработке, остаточные напряжения могут иметь различный знак:

(+) - растягивание;

(-) - сжимание.

Условие равновесия требует, чтобы в объеме детали сумма проекций всех сил была равна нулю. Поэтому в детали есть область со сжимающими и растягивающими остаточными напряжениями.

В инженерной практике остаточные напряжения первого рода принято представлять в виде проекции на оси заданной системы координат. Например, для тела вращения используют понятия осевых σо х, окружных (тангенциальных) σо т и радиальных σо r остаточных напряжений. Обобщенно можно сказать, что остаточные напряжения первого рода есть результат неравномерных пластических деформаций различных слоев детали (искривление детали). Остаточные напряжения оказывают существенное влияние на прочность и долговечность деталей машин и конструкций.

Остаточные сжимающие напряжения, возникающие в поверхностном слое, повышают циклическую прочность деталей, т.к. они разгружают поверхностные слои от напряжений, вызванных нагрузками и, наоборот, растягивающие остаточные напряжения уменьшают прочность деталей вследствие повышения напряженности поверхностного слоя..

1.2 Структурные несовершенства в реальных кристаллах

В соответствии с современными взглядами на строение металла, существенное различие теоретической и физической прочности объясняется наличием структурных несовершенств (дефектов) кристаллов. Структурные дефекты оказывают существенное влияние на упрочнение и разрушение металла при обработке. Структурные несовершенства в кристаллах возникают в результате кристаллизации металла, термической обработки, пластической деформации и др.

Структурные несовершенства (дефекты) кристалла по геометрическому признаку подразделяются на 4 группы:

Точечные;

Линейные;

Поверхностные (плоские);

Объемные.

Точечные дефекты по своим размерам сопоставимы с размерами атома. В чистых кристаллах возможны два типа точечных дефектов (рисунок 3):

Вакансии;

Межузельные атомы.

Вакансии образуются при удалении атома из узла решетки, а межузельный атом при введении атома в межузельное пространство. Образование вакансий и межузельных атомов связано с тем, что колеблющиеся около положения равновесия атомы могут под влиянием привнесенной извне энергии выходить из положения равновесия, образуя после себя в узле кристаллической решетки пустоту (вакансию) и, соответственно, межузельный атом..

Рисунок 3.Точечные дефекты в плоскости простой кубической решетки: А - дислоцированный атом; В - вакансии

Рисунок 4.Точечные дефекты в плоскости простой кубической решетки: ө - примесные атомы внедрения; ● - атомы замещения

Все точечные дефекты образуют локальные искажения кристаллической решетки, повышая тем самым энергию, зависящую от размера введенных атомов и расстояние между ними. Линейные дефекты кристаллической решетки имеют размеры, близкие к атомным в двух измерениях и значительную протяженность в третьем.

упрочнение металл легирование закалка

2. Современные методы упрочнения металлов

.1 Упрочнение легированием

Формирование благоприятной структуры и надежность работы деталей обеспечивает рациональное легирование, измельчение зерна и повышение качества металла. Упрочнение при легировании увеличивается пропорционально концентрации легирующего элемента в твердом растворе. При этом надо помнить, что различные легирующие элементы имеют ограниченную растворимость в основных фазах сплава и это зависит от относительной разницы атомных радиусов компонентов.

Образование твердых растворов разных типов (замещения, внедрения, упорядоченных, не упорядоченных и др.) создают комбинации различных дислокационных образований с многообразными характеристиками прочности. Измельчение зерна осуществляется легированием и термической обработкой. Наиболее эффективное измельчение структуры достигается при высокотемпературной термомеханической обработке..

Она предусматривает пластическую деформацию аустенита с последующим превращением в мартенсит. В результате высокотемпературной термомеханической обработки обеспечивается наиболее благоприятное сочетание высокой прочности с повышенной пластичностью, вязкостью и сопротивлением разрушению.

Упрочнение растет по мере увеличения концентрации растворенного легирующего элемента и различия в атомных радиусах железа и этого элемента. Наиболее сильно повышают твердость медленно охлажденного феррита Si, Mn, Ni,.т.е те элементы, имеющие отличную от Feα кристаллическую решетку. Слабее влияют Mo, V и Cr, решетки которых изоморфны Feα. Повышение чистоты сплава достигается металлургическими приемами путем удаления вредных примесей серы, фосфора, газообразных элементов - кислорода, водорода, азота.

При введении в сталь легирующих элементов, растворимость которых в решетке железа может изменяться в зависимости от температуры, наблюдается эффект, называемый дисперсионным твердением. Для этого необходимо получить пересыщенный твердый раствор с повышенной концентрацией растворенного элемента. Такой твердый раствор является неравновесным и стремиться к распаду. Процесс распада пересыщенного твердого раствора при комнатной температуре называется естественным старением. .

При некотором нагреве - искусственным старением. При старении избыточный элемент выделяется из кристаллической решетки металла-растворителя в виде мельчайших частиц, которые называют дисперсной фазой. Дисперсная фаза, будучи равномерно распределена в твердом растворе, искажает кристаллическую решетку последнего и изменяет механические свойства сплава. Повышение твердости, прочности наблюдается только в том случае, когда сохраняется когерентность (непрерывность) атомно-кристаллических решеток дисперсной фазы и твердого раствора.

Дисперсионное твердение связано с диффузионными процессами и поэтому продолжительность старения оказывает существенное влияние на эффект дисперсионного твердения. Дисперсионное твердение в сложнолегированной стали с несколькими легирующими элементами часто проявляется совершенно иначе, чем в стали с одним легирующим элементом. Дополнительные легирующие элементы могут увеличивать или уменьшать растворимость основного элемента, вызывающего дисперсионное твердение и тем самым увеличивать или уменьшать эффект упрочнения материала. Дисперсионное твердение сопутствует обычному процессу термической обработки стали и оказывает существенное влияние на ее свойства..

Упрочняющими фазами в сталях могут быть карбиды, нитриды, интерметаллиды, химические соединения и др.

2.2 Упрочнение пластическим деформированием

В результате холодной пластической деформации изменяются свойства металла: повышается прочность, электросопротивление, снижается пластичность, плотность, коррозионная стойкость. Это явление называется наклепом и может быть использовано для изменения свойств металлических материалов. Свойства наклепанного металла изменяются тем сильнее, чем больше степень деформации. Металлы наклепываются в начальной стадии деформирования более интенсивно, а при возрастании деформации механические свойства изменяются незначительно. С увеличением степени деформаций предел текучести растет быстрее временного сопротивления. У сильно наклепанных металлов обе характеристики сравниваются, а удлинение становится равным нулю. Такое состояние наклепанного металла называется предельным; при попытке продолжить деформирование может произойти разрушение металла. В результате наклепа удается повысить твердость и временное сопротивление в 1,5 - 3 раза, а предел текучести в 3 -7 раз. Металлы с ГЦК решеткой упрочняются сильнее, чем металлы с ОЦК решеткой. Среди сплавов с ГЦК решеткой сильнее упрочняются те, у которых энергия дефектов упаковки минимальна (интенсивно наклепываются аустенитная сталь и никель, а алюминий упрочняется незначительно).

Рисунок 5.Зависимость механических свойств от степени деформации

Наклеп понижает плотность металла вследствие нарушений порядка в размещении атомов, при увеличении плотности дефектов и образовании микропор. Уменьшение плотности используют для увеличения долговечности деталей, которые в процессе эксплуатации подвержены переменным нагрузкам.

Наиболее распространенным способом холодного пластического поверхностного деформирования является дробеструйная обработка. Она заключается в воздействии на обрабатываемую поверхность частиц дроби, ускоренных в дробеструйных центробежных или пневматических аппаратах. Для этого используется стальная или чугунная дробь величиной 0,5 - 2,0 мм. Время обработки поверхности детали не превышает 2 - 3 мин., а толщина поверхностного слоя находится в пределах 0,2 - 0,4 мм. В поверхностном наклепанном слое увеличивается плотность дефектов кристаллической решетки, может изменяться форма и ориентация зерен. В поверхностных слоях создаются сжимающие напряжения, тормозящие зарождение и развитие трещин..

Дробеструйная обработка может быть эффективна для сталей различного состава и после различной термической обработки (отжиг, нормализация, закалка, улучшение, цементация и др.). Основное назначение дробеструйной обработки - повышение усталостной прочности. Такой обработке подвергаются пружины, рессоры, шестерни, различные валы и т.д. Особенно эффективна дробеструйная обработка деталей, имеющих галтели, выточки, следы грубой механической обработки и другие концентраторы напряжений.

2.3 Упрочнение термическими методами

Температурное воздействие на различные материалы с целью изменения их структуры и свойств является самым распространенным способом упрочнения в современной технике. Это воздействие может осуществляться чаще при плюсовых температурах, реже - при отрицательных температурах и сочетаться с химическим, деформационным, магнитным, электрическим и др. процессами.

Следуя классификации А.А. Бочвара, в основу которой положены типы фазовых и структурных превращений в металле, различают следующие виды термообработки:

собственно термическая обработка;

термомеханическая обработка;

химико-термическая обработка

Собственно термическая обработка предусматривает только температурные воздействия на металл или сплав. Управляемые структурно-фазовые процессы в стали, которые обеспечивают получение требуемой фазовой и дислокационной структуры, происходят вследствие наличия аллотропии. Термомеханическая обработка (ТМО) - сочетание термического воздействия и пластической деформации. ТМО позволяет получить более высокие прочностные и вызкостно-пластические свойства у стали, чем после обычной закалки и низкого отпуска..

Положительный дополнительный эффект при ТМО объясняется предварительным наклепом аустенита во время пластической деформации. Последствия этого наклепа передаются мартенситу в виде дополнительных, возникающих при наклепе дислокаций, которые, складываются с дислокациями, возникающими при последующем мартенситном превращении, создают более плотную дислокационную структуру.

Такая высокая плотность дислокаций (до 1013 см -2) не порождает возникновение трещин при закалке. Существуют две разновидности термомеханической обработки - высокотемпературная (ВТМО) и низкотемпературная (НТМО). При ВТМО аустенит деформируется при температуре выше линии АС3 до степени деформации 20-30%. При НТМО производится деформация переохлажденного до 400 - 600 0С аустенита, степень деформации составляет 75-90%.

Химико-термическая обработка (ХТО) - сочетание химического и термического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя детали в необходимом направлении. .

При этом происходит поверхностное насыщение металлического материала соответствующим элементом (C, N, B, Al, Cr, Si, Ti и др.) путем его диффузии в атомарном состоянии из внешней среды (твердой, газовой, паровой, жидкой) при высокой температуре.

Процесс химико-термической обработки состоит из трех элементарных стадий:

выделение диффундирующего элемента в атомарном состоянии благодаря реакциям, протекающим во внешней среде;

контактирование атомов диффундирующего элемента с поверхностью стального изделия и проникновение (растворение) их в решетку железа (адсорбция);

диффузия атомов насыщающего элемента вглубь металла.

2.4 Поверхностное упрочнение

Среди методов поверхностного упрочнения наибольшее распространение получили поверхностная закалка, обработка лазером и электроискровое легирование. При поверхностной закалке на некоторую заданную глубину закаливается только верхний слой, тогда как сердцевина изделия остается незакаленной..

Основное назначение поверхностной закалки: повышение твердости, износостойкости и предела выносливости обрабатываемого изделия. Сердцевина изделия остается вязкой и воспринимает ударные нагрузки. Поверхностную закалку осуществляют несколькими методами: нагревом токами высокой частоты; нагревом.

Поверхностную закалку осуществляют несколькими методами:

нагревом токами высокой частоты (ТВЧ);

нагревом газовым пламенем.

Закалка ТВЧ впервые предложена В. П. Вологдиным. При закалке по этому методу стальное изделие размещают внутри индуктора в форме спирали или петли.

Ток высокой частоты подводится от генератора к индуктору. Во время прохождения тока через индуктор в поверхностных слоях изделия за счет индукции возникает ток противоположного направления, нагревающий сталь. В связи с тем, что скорость нагрева ТВЧ значительно выше скорости нагрева в печи, фазовые превращения в стали происходят при более высоких температурах и температуры нагрева под закалку повышаются. Например, при нагреве ТВЧ со скоростью 400 °С/с температура закалки стали 40 с 840…860 °С повышается до 930…980 °С.

После прогрева ТВЧ стали до температуры закалки изделие охлаждают водой. При закалке ТВЧ получается высокодисперсная структура кристаллов мартенсита, обеспечивающая более высокую твердость и прочность стали, чем при печном нагреве..

Рисунок 6.Схема нагрева токами высокой частоты: 1 - деталь; 2 - индуктор; 3 - магнитное поле; I - направление тока в индукторе; II - направление тока в детали

2.5 Плазменное поверхностное упрочнение деталей

Одной из наиболее перспективных обработок является плазменная технология, интенсивно разрабатываемая как в нашей стране, так и за рубежом.

Использование низкотемпературной плазмы эффективно не только для переплава металлов и сплавов; напыления износостойких, жаропрочных и коррозионностойких покрытий резки и сварки различных материалов, но и для поверхностного упрочнения различных изделий.

Плазменное поверхностное упрочнение находит широкое применение как в условиях мелкосерийного и единичного (в том числе ремонтного), так и крупносерийного и массового производства. Сущность его заключается в термических фазовых и структурных превращениях, происходящих при быстром концентрированном нагреве рабочей поверхности детали плазменной струей (дугой) и теплоотводе в материал детали.

2.6 Вакуумное ионно-плазменное упрочнение, ионное магнетронное распыление, ионное легирование

Вакуумное ионно-плазменное упрочнение Среди методов нанесения защитных покрытий, основанных на воздействии на поверхность детали потоков частиц и квантов с высокой энергией, большое внимание уделяется вакуумным ионно-плазменным методам. Характерной их чертой является прямое преобразование электрической энергии в энергию технологического воздействия, основанное на структурно-фазовых превращениях в осажденном на поверхности конденсате или в самом поверхностном слое детали, помещенной в вакуумную камеру.

Основным достоинством данных методов является возможность создания весьма высокого уровня физико-механических свойств материалов в тонких поверхностных слоях, нанесение плотных покрытий из тугоплавких химических соединений, а также алмазоподобных, которые невозможно получить традиционными методами. Кроме того, эти методы позволяют:

Обеспечивать высокую адгезию покрытия к подложке;

Получать равномерные покрытия по толщине на большой площади;

Варьировать состав покрытия в широком диапазоне, в пределах одного технологического цикла;

Получить высокую чистоту поверхности покрытия;

Обеспечивать экологическую чистоту производственного цикла.

Методы вакуумной ионно-плазменной технологии:

) Модифицирование поверхностных слоев:

Ионно-диффузионное насыщение; (ионное азотирование, науглероживание, борирование и др.);

Ионное (плазменное) травление (очистка);

Ионная имплантация (внедрение);

) Нанесение покрытий:

Полимеризация в тлеющем разряде;

ионное осаждение (в триодной распылительной системе, диодной распылительной системе, с использованием разряда в полом катоде);

Электродуговое испарение;

Ионно-кластерный метод;

Катодное распыление (на постоянном токе, высокочастотное);

Химическое осаждение в плазме тлеющего разряда.

Современные вакуумные ионно-плазменные методы упрочнения (модифицирования) поверхностей деталей машин включают следующие этапы:

Генерацию (образование) корпускулярного потока вещества;

Активизацию, ускорение и фокусировку;

Конденсацию и внедрение в поверхность деталей (подложек).

Испарение: переход конденсированной фазы в пар осуществляется в результате подводок тепловой энергии к испаряемому веществу..

Заключение

При рыночной экономике одной из важных задач является обеспечение качества деталей машин, повышение их эксплуатационных показателей. Эти показатели определяются параметрами качества поверхностного слоя. Около 70% причин выхода из строя машин и механизмов связано с износом узлов трения. Следовательно, одним из направлений обеспечения качества машин является повышение износостойкости этих деталей, которое может быть достигнуто путем включения периода приработки на стадию изготовления за счет применения соответствующих технологических процессов изготовления. Износ зависит от многих параметров качества поверхностного слоя, поэтому важно знать возможности управления комплексом этих параметров в процессе обработки, включая геометрические, механические, физические и химические структурные свойства. При производстве деталей машин широко применяются различные методы поверхностного упрочнения. Изложенные в пособии технологии поверхностного упрочнения деталей машин позволяют достигать требуемого качества изделия и формировать у студентов системный подход к решению актуальных задач повышения долговечности деталей и узлов машин.

Список литературы

1. Научные основы материаловедения: Учебн для вузов / Б.Н. Пастухова. - М.: Изд-во МВТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. - 336с.

Материаловедение и технология металлов: Учебник /под ред. Г.П. Фетисова. - М.: Высш шк., 2008. - 640с.

Металловедение и технология металлов: Учебн. для вузов /Ю.П. Солнцев, В.А. Веселов, В.П. Деменцова и др. - М.: Металлургия, 2011.-512с.

Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение; Учеб. для втузов.- М.: Машиностроение, 2010. - 528с.: ил.

Помимо нанесения износостойких покрытий на поверхности инструментов существуют еще четыре группы технологий поверхностного упрочнения режущих инструментов:

1. Методы механического упрочнения: вибрационный, дробеструйный, взрывом и т.д. Наиболее часто используют для упрочнения инструментов из быстрорежущей стали и твердых сплавов. Поверхностное пластическое деформирование (ППД) – наклеп поверхностного слоя на глубину 0.2-0.8 мм с целью создания в нем остаточного напряжения сжатия. При наклепе поверхностный слой расплющивается. Удлинению поверхностного слоя препятствует сила сцепления с нижележащими слоями металла. Вследствие этого в наклепанном слое возникают двухосные напряжения сжатия, а в толще основного металла незначительные реактивные напряжения растяжения. Складываясь с рабочими напряжениями растяжения, остаточные напряжения сжатия уменьшают, а при достаточно больших значениях компенсируют первые. Возникающие при наклепе множественные искажения структуры (деформация зерна, местные пластические сдвиги) эффективно тормозят развитие усталостных повреждений и расширяют область существования нераспостроняющихся трещин, увеличение которых обуславливает существование разрушающих напряжений. Эффективен наклеп в напряженном состоянии, представляющий собой сочетание упрочнения перегрузкой с наклепом. При этом способе деталь нагружают нагрузкой того же напряжения, что и рабочая, вызывая в материале упругие или упругопластические деформации. После снятия нагрузки в поверхностном слое возникают остаточные напряжения сжатия. Наклепанный слой чувствителен к нагреву. При температурах 400-500 о С действие наклепа полностью исчезает, из-за наступающего при этих температурах процесса рекристаллизации, устраняющего кристалло-структурные изменения, внесенные наклепом. Основные разновидности упрочнение поверхности пластической деформацией: дробеструйная обработка, обкатывание, чеканка, алмазное выглаживание.

Дробеструйная обработка заключается в наклепе поверхностного слоя потоком закаленных шариков (диаметр 0.5-1.5 мм), создаваемым центробежными дробеметками. Качество поверхности при данном процессе немного снижается. Плоские поверхности упрочняют обкатыванием шариками, установленными во вращающемся патроне. Заготовке придают движение продольной и поперечной подачи, при правильно выбранном режиме обкатывания, остаточные напряжения сжатия в поверхностном слое составляют 600-1000 МПа. Глубина уплотнения слоя 0.2-0.5 мм. Данный процесс улучшает качество поверхности детали. Поверхность вращения упрочняют обкатыванием стальными закаленными роликами. Силу прижатия ролика выбирают с таким ращетом, чтобы создать в поверхностном слое напряжения, превышающие предел текучести материала в условиях всестороннего сжатия (для стали 5000-6000 МПа). Чеканку производят бойками со сферической рабочей поверхностью, приводимыми в колебания пневматическими устройствами. Частота колебаний и скорость вращения заготовки должны быть согласованы таким образом, чтобы наклепанные участки перекрывали друг друга.

Алмазное выглаживание заключается в обработке предварительно шлифованной и полированной поверхности закругленными алмазными резцами (радиус 2-3 мм). Поверхностный слой уплотняется до глубины 0.3-0.5 мм.

2. Методы химико-термической обработки (ХТО) инструментальных сталей: азотирование, цементация, карбонитрация, оксидирование, борирование в газовых и жидких средах, тлеющем газовом электрическом разряде (ионное азотирование). Высокую поверхностную прочность обеспечивает изотермическая закалка, а также термомеханическая обработка поверхности детали. При поверхностной закалке (газопламенная закалка) и химико-термической обработке (цементование) упрочнение обусловлено главным образом возникновением в поверхностном слое остаточных сжимающих напряжений вследствие образования структур большего удельного объема (нитриды и карбонитриды при нитроцементации и азотировании), чем структуры основного металла. Расширение поверхностного слоя тормозит сердцевина, сохраняющая исходную перлитную структуру, вследствие чего в поверхностном слое возникают двухслойные напряжения сжатия. В нижних слоях развиваются реактивные растягивающие напряжения, имеющие малое значение, из-за незначительности сечения термически обработанного слоя сравнительно с сечением сердцевины. Создание предварительных напряжений сжатия снижает среднее напряжение в области сжатия, тем самым повышается предел выносливости. Газовая закалка повышает предел выносливости по сравнению с исходной конструкцией из необработанной стали в 1.85 раза. Наиболее эффективным способом обработки является азотирование, которое практически полностью устраняет внешних концентраторов напряжений. Азотирование не вызывает изменения формы и размеров детали. Азотированный слой обладает повышенной коррозие - и термостойкостью. Твердость и упрочняющий эффект сохраняются вплоть до температур 500-600 о С. Оптимальные толщины слоя уплотнения при цементации 0.4-0.8 мм, цементовании и азотировании 0.3-0.5 мм, закалке с нагревом и газовой закалке 2-4 мм. Качество поверхности значительно улучшается.

Электроискровое, магнитное, ультразвуковое упрочнение. Данные метода редко применяются для обработки режущих инструментов.

Физическое упрочнение: лазерная обработка, ионная имплантация. Технология ионной имплантации является на сегодня одной из наиболее перспективной с точки зрения создания композиционных материалов с оптимальным набором поверхностных и объемных свойств.

Ионная имплантация – это процесс, в котором практически любой элемент может быть внедрен в приповерхностную область любого твердого тела – мишени (подложки), помещенной в вакуумную камеру, посредством типа высокоскоростных ионов, имеющих энергию в несколько мегаэлектроновольт.

Ионы внедряются в материал мишени (подложки) на глубину от 0,01мкм до 1мкм, теряя энергию в процессе столкновений с атомами основы.

Профиль (распределение) концентрации примеси по глубине для большинства комбинаций – внедряемый атом – мишень (подложка) может быть вычислен. Для малой дозы ионов (малого числа ионов на единицу площади) профиль распределения концентрации примеси по глубине обычно хорошо описывается гауссовым распределением с центром в середине области распространения. В результате ионной имплантации образуется поверхностный слой сплава с изменяющимся составом, который не обладает выраженной поверхностью раздела, характерной для осажденного покрытия.

Преимуществом ионной имплантации, как метода модифицирования поверхности по сравнению с другими методами упрочнения поверхности, являются:

Увеличение растворимости в твердом состоянии;

Независимость образования сплавов от констант диффузии;

Возможность быстрого изменения состава сплава;

Независимость от процессов протекаемых в объеме материала;

Возможность процесса при низких температурах;

Весьма незначительное изменение размеров обрабатываемой детали;

Отсутствие проблемы аугезии, так как не существует ярко выраженной поверхности раздела;

Контролируемая глубина распределения концентрации;

Вакуумная чистота;

Высокая контролируемость и воспроизводимость.

Основным недостатком ионной имплантации является обработка только той части поверхности инструмента, которая находится непосредственно в области действия пучка ионов.

Технологии нанесения покрытий на инструменты обладают высокой производительностью, универсальностью, экономично­стью. Кроме того, появляется возможность управления условиями формиро­вания и свойствами покрытий, а также свойствами композиции покрытие - инструментальный материал. Инструментальный ма­териал с износостойким покрытием является новым материалом композиционного типа, в котором оптимально сочетаются свой­ства поверхностного слоя (высокие значения твердости, тепло­стойкости, пассивности по отношению к обрабатываемому мате­риалу и т. д.) и свойства, проявляющиеся в объеме тела инстру­мента (прочность, ударная вязкость, трещиностойкость и т. д.).

В настоящее время систематизация марок инструментальных материалов должна быть дополнена систематизацией характеристик поверхностных слоев с измененными свойствами (СИС), иначе невозможно объективно определить возможность применения и технологии упрочнения в целом, и множества вариантов состава и конструкций упрочненных слоев для конкретных условий обработки. Данная систематизация представлена на рис.34.3

Применяемые способы упрочнения режущей части инструментов сгруппированы на рис 34.3 не просто по их физическим особенностям, но и по конечному результату –диапазону характеристик и вариантам конструкции получаемых слоев, которые необходимо знать в первую очередь для принятия решения об их применении. Всего предусмотрено четыре признака, ранжированных в строго определенном порядке.

Исходя из того, что области применения традиционных марок материалов определены достаточно четко, первым признаком становится наличие на материале режущей части инструмента какого-либо варианта упрочненного слоя.

Рис. 7.3 Систематизация вариантов материала режущей части инструмента

Это условие разграничивает диапазоны свойств этих слоев, т.е. это, по сути, новые классы материалов, обладающие качественно различными служебными характеристиками. Очевидно, что упрочнение основы, т.е. изменение свойств уже имеющегося «базового» инструментального материала, не позволит намного увеличить их твердость и износостойкость в отличие от нанесения покрытий, свойства которых практически не сильно зависят от свойств основы.

Вторым признаком систематизации является возможная технология получения того или иного варианта упрочненного слоя режущей части инструмента. Он определяет возможности использования упрочненного слоя в производстве.

Третьим признаком является общая, интегральная характеристика упрочненного слоя – его суммарная толщина. Влияние толщины износостойкого покрытия на работоспособность инструмента изучено достаточно подробно и будет рассмотрено ниже. Необходимо отметить, что разные технологии упрочнения могут обеспечивать строго определенные диапазоны толщин и каждый вариант слоя имеет свой, ярко выраженный оптимум.

Четвертым признаком группирования является дифференцированная характеристика упрочненного слоя – конкретное сочетание толщины слоя в целом, а также химического состава и структуры составляющих его слоев. Известно, что даже незначительное изменение только одного элемента (толщины или химического состава одного из составляющих слоев) позволяет существенно повысить потенциал работоспособности инструментов. Для упрочненных слоев основы важным является оптимальность градиента свойств от сердцевины к поверхности инструмента.

Технологические особенности получения слоев с измененными свойствами не являются самостоятельными признаками группирования. Они лишь обеспечивают служебные характеристики конструкции слоя.

В результате анализа особенностей промышленной эксплуатации режущего инструмента с покрытием можно отметить следующее:

1. Инструмент с покрытием заметно дороже инстру­мента без покрытия, что требует более высокой культуры произ­водства, использования неизношенного станочного оборудования, тщательного экономического анализа целесообразности использо­вания инструмента с покрытием.

2. Наиболее целесообразно эксплуатировать инстру­мент с покрытием на скоростях, превышающих скорость резания обычного инструмента на 30-60%. Такие скорости соответствуют оптимальной экономической скорости резания, минимизирующей интенсивность изнашивания и затраты на обработку резанием.

3. В настоящее время промышленность использует разнообразный режущий инструмент с покрытием, получаемый различными технологическими методами, что требует от заводских технологов знаний областей наиболее рационального использова­ния такого инструмента. Эффективность инструмента с покрытием при различных условиях обработки сильно зависит от метода получения покрытия даже одного химического состава.

7.3. Контрольные вопросы:

1. В чем необходимость поверхностного упрочнения режущих инструментов?

2. Каковы современные методы поверхностного упрочнения инструментов? Их преимущества и недостатки

3. В чем заключается основной принцип систематизации материалов режущей части инструментов?

Настоящее изобретение относится к способу нанесения на поверхность металла, например металлическую поверхность инструмента или сельскохозяйственных орудий производства, твердого износостойкого покрытия. Задачей изобретения является создание износостойкого покрытия, имеющего однородную плотность, преимущественно не содержащего включений. Предложен способ, включающий нанесение суспензии из порошкового износостойкого сплава и раствора поливинилового спирта (PVA). По другому варианту раствор связующего покрытия PVA может быть нанесен на поверхность металла с последующим нанесением слоя порошкового сплава. После того, как покрытие из суспензии или связующего агента PVA высушивают с остающимся при этом слоем сухого покрытия из сплава в матрице из PVA, поверхность металла нагревают в вакууме, в атмосфере инертного газа или в атмосфере водорода до температуры плавления сплава. Металлическую деталь с расплавленным покрытием подвергают термической обработке для придания нужных механических свойств основному материалу. Техническим результатом данного изобретения является обеспечение получения гладкого, плотного покрытия, придающего износостойкость и упрочняющего поверхность, без неметаллических включений. 3 с. и 14 з.п. ф-лы, 1 табл.

Предшествующий уровень техники Настоящее изобретение относится к способу нанесения на поверхность металла, например металлическую поверхность инструмента или сельскохозяйственных орудий производства, твердого износостойкого покрытия. Покрытие поверхности металлов другим металлом или металлическим сплавом для улучшения внешнего вида, защиты от коррозии или повышения износостойкости хорошо известно в области металлургии. Покрытие инструментов, в частности режущих кромок инструментов, твердым износостойким сплавом является общепринятой практикой, особенно в области производства сельскохозяйственного оборудования, и часто упоминается как "упрочнение поверхности" или "поверхностное упрочнение". Например, см. патент США Re.27852, автор Alessi, патент США 5027878 и 5443916, автор Revankar, патент США 4682987, Brady с соавторами и патент США 5456323, автор Hill. Упрочнение поверхности часто осуществляют посредством плавления твердого порошкового металлического сплава на поверхности металла. Этот способ включает, как правило, покрытие поверхности металла водной суспензией порошкового гомогенного сплава, порошкового флюса, связующего агента и суспендирующего агента; высушивание суспензии для образования твердого слоя и нагрев поверхности металла до достаточно высокой температуры для плавления сплава на поверхности. Флюс предназначен для защиты сплава от взаимодействия с газами в атмосфере плавильной печи во время нагрева сплава. Суспендирующий агент способствует получению однородной суспензии. Связующий агент удерживает порошки сплава и флюса на месте, пока суспензию сплава высушивают на поверхности металла. Одной из проблем этого способа упрочнения поверхности является то, что флюс, связующий агент и суспендирующий агент, добавляемые в суспензию, остаются в расплавленном покрытии как нежелательные неметаллические включения и уменьшают количество эффективного износостойкого покрытия при данной толщине покрытия. Эти включения рассредоточены в покрытии, что увеличивает хрупкость и способствует выкрашиванию материала покрытия, но не за счет разрушения, а скорее из-за абразивного износа, что приводит в результате к преждевременному износу и сокращению срока службы покрытия. Другой проблемой способов предшествующих технических решений является неоднородная толщина покрытия. 1) Покрытие суспензией способствует ее стеканию, пока она влажная, по вертикальным и наклонным поверхностям, с образованием при этом неоднородного распределения порошкового сплава. 2) Смесь флюс/связующий агент, используемая в суспензии для покрытия, плавится раньше порошкового покрытия, и образующаяся жидкость имеет тенденцию к перемещению порошковых частиц по вертикальным и наклонным поверхностям и вызывает их неоднородное распределение до того, как порошковый сплав начнет плавиться. В патенте Японии JP-A-60089503 предложен способ получения износостойкого материала. Порошок абразивного материала, такого как сплав на никелевой или кобальтовой основе, который содержит менее 5% железа, и органический связующий агент, например поливиниловый спирт, смешивают для образования суспензии, которой покрывают поверхность деталей машин. Детали нагревают в условиях вакуума или в неокислительной атмосфере для получения агломерированного слоя износостойкого материала, который связан с деталями через диффузионный слой. В патенте США 3310870 предложен способ получения стали с никелевым покрытием, в котором используют состав суспензии, включающей никелевый порошок в связующем агенте, например раствор поливинилового спирта, который может содержать диспергирующий или дефлоккулирующий агент, для обеспечения диспергирования связующего агента в суспензии. Суспензию наносят на металлическую основу посредством разбрызгивания или накатки роликом, высушивают, спекают в неокислительной для стали атмосфере, подвергают горячему компактированию и охлаждают. В Европейском патенте ЕР-А-0459637 предложен способ нанесения покрытия, содержащего твердый сплав, на металлический или керамический предмет. Твердый сплав содержит лишь небольшое количество железа. Его смешивают с органическим связующим агентом, например полихлорвинилом, и наносят на предмет посредством погружения, разбрызгивания, накатки роликом или с помощью других способов. На первой операции нагрева связующий агент разлагается, а на второй операции при высокой температуре в условиях избыточного давления происходит уплотнение. В патенте США 4175163 предложен способ покрытия изделия из нержавеющей стали коррозионно-стойким поверхностным слоем. Металлический порошок, содержащий в основном хром и никель, смешивают с органическим растворителем, например водным раствором поливинилового спирта. После распыления смеси на поверхности изделия его подвергают нагреву токами высокой частоты в условиях неокислительной атмосферы, например азота или аргона, что должно обеспечить образование у материала промежуточного диффузионного слоя между поверхностным слоем и стальным изделием. Задачей данного изобретения является создание способа однородного упрочнения поверхности металла износостойким сплавом по существу без неметаллических включений. Второй задачей является получение суспензии износостойкого сплава для использования при упрочнении поверхности. Краткое описание изобретения Первый аспект настоящего изобретения представляет собой способ упрочнения поверхности металла износостойким покрытием. Первый вариант способа включает следующие операции: a) получение преимущественно однородной водной суспензии поливинилового спирта и предназначенного для плавления твердого металлического сплава, содержащего, по меньшей мере приблизительно, 60% железа, в виде мелкодисперсного порошка и одной или более добавок из группы, включающей диспергирующие агенты, дефлоккулирующие агенты и пластификаторы, без флюса; b) покрытие поверхности металла водной суспензией; c) сушку водной суспензии для образования на поверхности металла затвердевшего слоя предназначенного для плавления твердого металлического сплава в матрице из поливинилового спирта; d) нагрев поверхности металла со слоем предназначенного для плавления твердого металлического сплава в матрице из поливинилового спирта до температуры плавления сплава в условиях защитной атмосферы при давлении приблизительно от 10 -4 Торр (1,33310 -2 Па) до 2 фунтов на квадратный дюйм (13,79 кПа) до тех пор, пока сплав не расплавится на поверхности металла; е) охлаждение поверхности металла с расплавленным упрочняющим покрытием до температуры окружающей среды. Операции b) и с) могут быть повторены один или несколько раз для образования более толстого слоя покрытия сплав/матрица из поливинилового спирта. Второй вариант способа упрочнения поверхности металла включает следующие операции: a) покрытие поверхности металла водным раствором поливинилового спирта; b) распределение преимущественно однородного слоя, предназначенного для плавления, твердого металлического сплава в виде мелкодисперсного порошка по покрытию из раствора поливинилового спирта, выполняемое на этапе а) перед сушкой раствора поливинилового спирта;
c) сушку покрытия из водного раствора поливинилового спирта для образования затвердевшего слоя предназначенного для плавления, твердого металлического сплава, связанного с поверхностью металла с помощью покрытия из поливинилового спирта;
d) нагрев поверхности металла, покрытой слоем предназначенного для плавления твердого металлического сплава, связанного с поверхностью металла с помощью покрытия из поливинилового спирта, до температуры плавления сплава в условиях защитной атмосферы при давлении, приблизительно, от 10 -4 Торр (1,33310 -2 Па) до 2 фунтов на квадратный дюйм (13,79 кПа) до тех пор, пока сплав не расплавится на поверхности металла;
е) охлаждение поверхности металла с расплавленным упрочняющим покрытием до температуры окружающей среды. Этапы а), b) и с) могут быть повторены один или несколько раз для образования слоев сплава, каждый из которых связан с лежащим ниже него слоем с помощью покрытия из поливинилового спирта, причем самый нижний слой связан непосредственно с поверхностью металла. Второй аспект настоящего изобретения представляет собой водную суспензию поливинилового спирта и предназначенного для плавления твердого металлического сплава, содержащего, по меньшей мере приблизительно, 60% железа, в виде мелкодисперсного порошка, используемого в первом варианте способа. Предпочтительно, чтобы средний размер частиц сплава составлял около 200 меш (соответствует ситу с количеством ячеек, равным 200 на 25,4 мм длины) или меньше. Износостойкие покрытия, которые наносят в соответствии с настоящими способами покрытия суспензиями для упрочнения поверхности, имеют однородную плотность и преимущественно не содержат включений, в отличие от покрытий суспензиями, наносимыми способами согласно предшествующим техническим решениям. Поэтому покрытия согласно изобретению являются менее хрупкими и более долговечными, чем покрытия, наносимые посредством способов, известных в данной области техники. Подробное описание изобретения
Широко используемый способ упрочнения поверхности металлов, в частности сельскохозяйственных орудий, предложен в патенте США Re.27852, автор Alessi (присоединенный к данному описанию в качестве ссылки). Этот способ включает: а) приготовление водной суспензии порошкового твердого сплава, связующего агента и флюса; b) нанесение суспензии на поверхность металлической детали, подлежащей упрочнению; с) удаление воды из суспензии при слабом нагреве для получения в остатке сухого слоя сплава, связующего агента и флюса на металлической поверхности и d) нагрев всей целиком металлической детали, предпочтительно, до высокой температуры плавления сплава и образования упрочняющего покрытия, прочно связанного с поверхностью металлической детали. Способ согласно изобретению представляет собой усовершенствование способа Alessi и используемых в настоящее время способов, основанных на способе Alessi, например способа, названного "Dura-Face" ("Стойкая поверхность") в патенте США 5456323. В способах упрочнения поверхности в данной области техники, основанных на патенте Alessi, смесь флюса и связующего агента (флюс/связующий агент), используемая для приготовления суспензии для покрытия, плавят до получения жидкого состояния при значительно более низкой температуре, чем температура плавления порошкового сплава, содержащегося в суспензии. Флюс/связующий агент продолжает существовать в виде жидкости даже при более высокой температуре плавления порошкового сплава. Однако жидкий флюс/связующий агент не успевает подняться на поверхность расплавленного сплава полностью за краткое время плавления и перед затвердеванием металла. Поэтому флюс/связующий агент остаются в сплаве покрытия как мелкие неметаллические частицы, известные как "включения". Включения являются относительно мягкими и хрупкими, ослабляя таким образом покрытие из сплава и снижая его износостойкость. Даже если времени будет достаточно, чтобы жидкие флюс/связующие агенты успели подняться на поверхность сквозь слой расплавленного сплава, флюс/связующий агент не удаляется с покрытия, а образует часть верхнего слоя покрытия. Кроме того, поскольку температура плавления флюса/связующего агента является существенно ниже, чем у сплава покрытия, то вязкость жидкой среды флюс/связующий агент становится низкой задолго до достижения температуры плавления сплава. Здесь термин "плавление" используют для обозначения того, что мелкодисперсные частицы сплава размягчаются, а отдельные частицы плавятся и объединяются с образованием сплошного покрытия. Жидкая среда флюс/связующий агент имеет тенденцию к легкому стеканию по наклонным поверхностям, унося с собой некоторое количество частиц порошкового сплава до того, как произойдет плавление порошкового сплава. Таким образом, плавление флюса/связующего агента приводит в результате к неоднородной толщине затвердевшего покрытия, вызывающей ухудшение характеристик износа покрытия из сплава. В первом варианте способа согласно изобретению водный раствор поливинилового спирта (PVA) используют как связующий агент в водной суспензии сплава без флюса. При нагреве PVA не плавится до термопластичного состояния, а распадается при температуре выше 150 o С за счет потери воды из двух соседних гидроксильных групп. Когда покрытие сплав/PVA нагревают до температуры плавления сплава, то PVA почти полностью испаряется из покрытия, после чего остается агломерат чистых порошковых частиц сплава с достаточной прочностью когезии, при плавлении которых образуется чистое и плотное покрытие без включений. Однако, поскольку PVA разлагается и улетучивается при температуре существенно ниже температуры плавления упрочняющего поверхность порошкового сплава, он не защищает сплав по мере нагревания до температуры плавления от химического взаимодействия с атмосферными газами, например с кислородом, азотом и двуокисью углерода. Такая защита является функцией материала флюса, который преднамеренно не включен в способ согласно изобретению. Поэтому в процессе нагрева, плавления и охлаждения, предпочтительно, использовать защитную атмосферу, если сплав при повышенной температуре склонен к взаимодействию с воздухом. В лабораторных условиях и при малых объемах производства плавление сплава удобно выполнять в печи при высоком вакууме (около 10 -4 Торр или 1,33310 -2 Па), эффективно удаляя атмосферные газы. Приемлемым является также эксплуатировать печь при низком давлении инертного газа (100-200 мкм [рт. столба] = 13,33-26,7 Па/м 2), например аргона или гелия. Можно также использовать азот при низком давлении, хотя и не с такими преимуществами, как аргон или другие инертные газы. Однако работа при высоком вакууме и низком давлении инертного газа в вакуумной печи в условиях производства является относительно дорогостоящей и малопроизводительной. Инертные газы, т. е. аргон и гелий, только при более высоком атмосферном давлении и восстановительные газы, такие как водород, также только при более высоком атмосферном давлении могут быть использованы в качестве защитной атмосферы в процессе плавления при приемлемой скорости производства. Водород, поскольку он является менее дорогим, чем аргон или гелий, предпочтителен в качестве защитной атмосферы при больших объемах производства. Печи, в которых используют водород в качестве защитной атмосферы, известны в области металлургии и имеются на рынках сбыта. Суспензию, используемую в настоящем изобретении, получают посредством тщательного смешивания порошкового упрочняющего сплава с раствором PVA в качестве связующего агента для получения нужного весового отношения сплава к раствору связующего агента. Составы суспензии, описываемой здесь, обозначают с помощью восьмизначного кода. Например, для суспензии "0550/0750" первые четыре цифры "0550" обозначают весовое отношение порошкового сплава к раствору PVA, равное 5,5 к 1, а последние четыре цифры "0750" обозначают 7,5 вес. % водного раствора PVA как связующего агента. В этом обозначении принято, что десятичная точка (запятая) находится посредине каждой группы из четырех цифр. Так, "1075/1025" означает отношение сплава к PVA 10,75 к 1, а водный раствор PVA содержит 10,25 вес.% PVA в воде. Специалистам в области металлургии будет понятно, что для получения однородного износостойкого покрытия поверхность подлежащего упрочнению металла должна быть ювенально чистой металлической поверхностью, свободной от окислов. Предпочтительно, чтобы перед использованием описанных здесь способов упрочнения поверхность металла, подлежащая упрочнению, была подготовлена посредством очистки до металлического блеска. Желательно, чтобы металлическую поверхность можно было подготовить к нанесению упрочняющего покрытия посредством промывки горячим моющим средством, а затем посредством пескоструйной обработки. Предпочтительно, чтобы размеры частиц при пескоструйной обработке составляли, приблизительно, от 80 до 120 меш. Если покрытию подлежат только несколько деталей, то оксиды с поверхности можно удалить зачисткой мелкой абразивной шкуркой на бумажной или тканевой основе, например абразивной шкуркой на бумаге или ткани с размером абразива 120 [меш] . Абразивный материал, предпочтительно, представляет собой любой твердый порошок с частицами, имеющими острие кромки, например окись алюминия, "стальной абразив" и многие другие имеющиеся на рынке сбыта абразивы. В первом варианте способа согласно изобретению предпочтительная процедура нанесения суспензии на подлежащую покрытию металлическую поверхность зависит от формы и размера металлической детали, имеющей металлическую поверхность, а также от соотношения сплава и концентрации связующего агента PVA в растворе. Как правило, суспензию для покрытия наносят обливанием, с помощью щеток или разбрызгиванием на подлежащую нанесению защитного покрытия металлическую поверхность либо подлежащую защите деталь, имеющую металлическую поверхность, можно окунать в суспензию. Такая процедура подходит для относительно тонких покрытий, например, приблизительно, вплоть до 0,030 дюйма (0,75 мм), однако, иногда трудно получить и сохранить однородную толщину покрытия. Предпочтительно, чтобы отношение количества сплава к раствору PVA при этой процедуре находилось в диапазоне, приблизительно, от 4:1 до 8:1 и чтобы концентрация PVA в растворе составляла, приблизительно, от 1 до 15 вес. % PVA. Например, для этой процедуры подходящими являются 0500/0500, 0600/0150, 0700/0150, 0500/0750, 0600/0750 или аналогичные суспензии. Нанесение покрытия распылением требует, чтобы суспензия имела низкую скорость оседания частиц сплава. Согласно закону Стокса конечная скорость (т. е. скорость без ускорения) "Vt" оседания порошковой частицы через столб жидкости прямо пропорциональна квадрату радиуса "r" частицы, принятой за сферическую, и обратно пропорциональна вязкости жидкой среды , т.е. Vt r 2 /. Следовательно, чем меньше размер (выраженный в меш) частицы порошкового сплава и чем больше вязкость связующего агента, тем ниже скорость оседания частиц порошкового сплава. Размер радиуса, поскольку он в квадрате, оказывает более сильное влияние, чем вязкость на скорость оседания. Например, радиус частиц 200 и 325 меш составляет 75 и 45 мкм соответственно, а вязкость 5 и 7,5% растворов PVA составляет 15 мПас и 70 мПас. Величина Vt для частицы 325 меш при 7,5%-ном растворе PVA в качестве связующего агента тогда будет в 13 раз меньше, чем для частицы 200 меш в 5,0%-ном растворе PVA. Таким образом, скорость оседания можно регулировать посредством правильного выбора комбинации концентрации связующего агента и размера порошковых частиц. Например, оседание частиц порошкового сплава в неперемешиваемой суспензии 0500/0750 порошка размером минус 200 меш пренебрежимо мало спустя 20 минут. Более высокая концентрация связующего агента, например 10% (вязкость связующего агента 250 мПас), приведет к дальнейшему снижению скорости оседания, однако, соответствующее большое увеличение вязкости суспензии сделает суспензию непригодной для разбрызгивания. Тем не менее, суспензию с высокой вязкостью можно использовать для других способов процедуры нанесения, т.е. в виде паст или лент, описанных ниже. Композиции густых суспензий, т.е. при высоком соотношении сплава к раствору PVA, могут наноситься как пасты на водной основе или из них прокаткой могут быть получены ленты для наложения на поверхность металла, однако, как правило, они требуют особых добавок для выполнения функции диспергирующих агентов, дефлокулирующих агентов и пластификаторов. Для таких процедур предпочтительное весовое отношение сплава к раствору PVA находится в диапазоне приблизительно от 8: 1 до 15:1, а концентрация PVA в растворе составляет, приблизительно, от 6 до 15 вес.%. Типичными примерами густых суспензий являются 1000/1000, 1200/1500 и 1500/1200. Способы нанесения в виде паст и лент могут быть использованы для густых суспензий. Однако эти процедуры трудны при использовании в условиях производства с высокой производительностью. Если необходимы толстые покрытия, то надежной и экономически выгодной, альтернативой пастам и лентам является процедура многократного нанесения покрытий, которая обеспечивает однородную толщину покрытия суспензией даже на больших поверхностях. Нужная толщина может быть получена посредством повторного разбрызгивания, перемежаемого циклами сушки. Сушку можно выполнять при температурах, приблизительно, от 80 до 120 o С в печи с принудительной циркуляцией воздуха. Для этого способа особенно подходит суспензия 0500/0750, хотя могут быть использованы и другие составы. Способ согласно изобретению подходит, в частности, для упрочнения поверхностей стальных деталей, подвергаемых высоким ударным воздействиям, коррозии и абразивному износу, включающим, но не ограниченным этим, инструменты (особенно режущие кромки инструментов), подшипники, поршни, коленчатые валы, шестерни, детали машин, огнестрельное оружие, сельскохозяйственные орудия и хирургические инструменты. Способ может быть использован для покрытия поверхности пластичного чугуна и серого чугуна, часто используемых для отливки деталей, например блоков цилиндров двигателей и корпусов агрегатов. Сплав можно плавить на поверхности детали из литого чугуна при температуре лишь незначительно ниже температуры плавления чугунной детали. Кроме того, способы согласно изобретению могут быть использованы для покрытия нежелезных металлов и сплавов при условии, что сплав для упрочняющего покрытия совместим с поверхностью металла, подлежащей покрытию, а температура плавления сплава для упрочняющего покрытия значительно ниже температуры плавления металла, поверхность которого подлежит упрочнению. Помимо этого, используя второй вариант настоящего изобретения, поверхность металла можно покрывать водным раствором PVA (приблизительно от 1 до 15 вес. % PVA) для образования связующего покрытия, с последующим распределением сухого порошкового сплава по покрытию из раствора связующего агента PVA, пока он еще влажный, предпочтительно, с помощью устройства для распыления порошка. Предпочтительно, чтобы как водный раствор PVA, так и порошковый сплав были нанесены на металлическую поверхность распылением. Раствор связующего агента PVA затем высушивают для образования связи твердого слоя порошкового сплава с поверхностью покрытия PVA. Можно получить несколько слоев порошкового сплава путем последовательного нанесения покрытия раствором PVA и слоев порошкового сплава и последовательного высушивания покрытия из раствора PVA, связывающего слой порошкового сплава, перед нанесением следующего покрытия PVA. Этот вариант устраняет проблемы оседания порошка в суспензии и стекание суспензии при наличии толстых покрытий. Кроме того, этот вариант хорошо подходит для производства с высокой производительностью. Термическая обработка металла для изменения или улучшения его свойств хорошо известна и широко практикуется в области металлургии, а именно, см. Heat Treating Hand book, ASM International, Metals Park, OH (1991). Процесс термической обработки включает, по существу, однородный нагрев металла до температуры его аустенизации (закалки), затем быстрое охлаждение, т.е. закалка, в закалочной среде, такой как вода, закалочное масло или полимерная закалочная среда либо даже воздух. Металлическая деталь, имеющая поверхность, упрочненную способом согласно изобретению, может быть подвергнута термической обработке путем извлечения детали из печи после плавления сплава покрытия, медленного охлаждения до температуры закалки металла, а затем быстрого погружения в подходящую закалочную среду. Как один из вариантов, металлическую деталь, имеющую предварительно упрочненную поверхность, можно подвергнуть термической обработке путем нагрева до ее температуры закалки и быстрого охлаждения. Как связующий агент PVA, в отличие от флюсов/связующих агентов, известных в данной области техники, не плавится с образованием жидкости перед плавлением или в процессе плавления покрытия и поэтому не позволяет порошковому покрытию "мигрировать" до того как начнется плавление порошка. Это свойство PVA позволяет обеспечить, чтобы конечная толщина расплавленного покрытия соответствовала исходной толщине покрытия суспензией в любом месте покрытия. В покрытиях суспензиями толщиной вплоть до 0,040 дюйма (1,016 мм), расплавленных на вертикальной стальной поверхности, не обнаруживается никакого смещения порошкового металла до плавления или в процессе плавления. Покрытие толщиной вплоть до 0,060 дюйма (1,54 мм) на поверхности с наклоном в 60 o также не обнаруживает стекания металла. Таким образом, PVA как связующий агент сводит к минимуму проблемы, связанные с неоднородностью покрытия, присущие способам упрочнения, известным в данной области техники. В патенте США 5027878 используется PVA в качестве испаряющейся модели при литье или в процессе ЕРС (литья по выплавляемым моделям) как средство для удержания керамических частиц, например частиц металлических карбидов, вместо полимерной модели, которую затем помещают в песчаную форму, в которую заливают расплавленный чугун. Однако в патенте США 5027878 утверждается, что керамические частицы, подлежащие пропитке чугуном, не должны расплавляться на поверхности металла, как частицы сплава в способе согласно изобретению. В патенте США 5027878 кроме того утверждается, что размер керамических частиц составляет, предпочтительно, около 30 меш; более предпочтительно, около 100 меш, тогда как размер частиц сплава по настоящему изобретению составляет, предпочтительно, около 200 меш или менее. PVA, используемый в настоящем изобретении как связующий агент, является недорогим и экологически безопасным полимером. При отсутствии кислот или оснований водный раствор PVA является стабильным даже после хранения в течение нескольких месяцев при комнатной температуре. Стабильность растворов PVA является преимуществом при применении в производственных условиях. Когда эмульсию порошкового сплава с PVA в качестве связующего агента нагревают до температуры плавления порошкового сплава в защитной атмосфере, например в атмосфере аргона или гелия, или в восстановительной атмосфере, например атмосфере водорода, оказывается, что PVA полностью испаряется, с получением в результате плотного покрытия сплавом, без включений. Сплав, подходящий для использования в способе согласно изобретению, является существенно более твердым и более износостойким, чем сталь, как правило, используемая для инструментов, шестерен, деталей двигателя и сельскохозяйственного оборудования, например сталь марки 1045. Предпочтительно, чтобы сплав имел величину твердости по Knoop"y в диапазоне приблизительно от 800 до 1300. Сплав имеет температуру плавления около 1100 o С или ниже, например, которая является ниже температуры плавления металла, на который он подлежит нанесению. Предпочтительно, чтобы порошковый сплав имел достаточно небольшой размер частиц для образования однородной суспензии и однородного упрочнения. Предпочтительно, чтобы сплав был однофазным и предпочтительно также, чтобы он имел температуру плавления, приблизительно, от 900 до 1200 o С. Он представляет собой мелкодисперсный порошок, имеющий размер частиц в диапазоне приблизительно от 90 до 400 меш. Предпочтительно, чтобы средний размер частиц был менее, приблизительно, 200 меш, а более предпочтительно, менее, приблизительно, 325 меш. Сплавы, подходящие для настоящего изобретения, предпочтительно содержат, по меньшей мере, 60% переходного металла 8-й Группы Периодической системы элементов, например железо, кобальт или никель, т.е. их основой является железо, никель или кобальт, однако, их основой могут быть и другие металлы, например сплавы, имеющие описанные выше физические свойства. К компонентам с меньшим содержанием (приблизительно от 0,1 до 20%), как правило, относятся бор, углерод, хром, железо (в сплавах на никелевой и кобальтовой основе), марганец, никель (в сплавах на железной и кобальтовой основе), кремний, вольфрам или их комбинации, см. [патент] Alessi. Элементы в количестве на уровне следов (менее приблизительно 0,1%), например сера, могут присутствовать минимально в виде примесей. Хотя и можно получить сплав, содержащий радиоактивные, высоко токсичные или редкие элементы, чтобы обеспечить нужные физические и химические свойства, описанные выше, такие сплавы могут присутствовать в ограниченном количестве или практически отсутствовать, с учетом их влияния на здоровье, безопасность и из экономических соображений. Способы получения мелкодисперсных порошковых сплавов хорошо известны в обрасти металлургии. Информацию и предшествующие сведения о сплавах, подходящих для использования в способе согласно изобретению, можно найти в сборниках стандартов, например Hausner H.H. and Mal M.K. Handbook of Powdered Metallurgy (Справочник по порошковой металлургии), 2 nd Ed. (особенно, начиная со стр. 22) Chemical Publishing Co., Inc. (1982). Порошковые сплавы, подходящие для настоящего изобретения, имеются на рынках сбыта у таких поставщиков, как Wall Colmony Corporation, Madison Heights, MI и SCM Metal Products, Inc., Research Triangle Park, NC. Следующие далее примеры представляют собой дополнительную иллюстрацию данного изобретения и не должны рассматриваться как его ограничение. Пример 1. Сплавы
К сплавам, подходящим для использования в способах согласно настоящему изобретению, относятся сплавы, приведенные в таблице 1, но не ограничены ими. Пример 2. Нанесение износостойкого покрытия на образец в атмосфере аргона
Поливиниловый спирт (PVA) (75-15 Elvanol (торговая марка), поставляемый фирмой DuPont) смешали с достаточным количеством воды для получения 7,5% раствора PVA. Порошок сплава 3 (см. таблицу 1, пример 1) со средним размером 200 меш, поставляемый фирмой SCM Metal Products, Inc., добавили к раствору PVA при весовом отношении 5,0 частей сплава 3 на 1 часть раствора PVA для получения суспензии типа 0500/0750. Образец промыли горячим раствором моющего средства и зачистили поверхность, подлежащую покрытию, с помощью пескоструйной обработки с размером абразива 100 меш до получения матовой поверхности. На поверхность подлежащего покрытию образца посредством разбрызгивания нанесли слой суспензии сплав/PVA толщиной 2 мм, а образец нагревали в печи с принудительной циркуляцией воздуха при температуре около 120 o С в течение 30-60 минут, пока суспензия не высохла с образованием слоя сплав/PVA. Затем шаблон перенесли в вакуумную печь, работающую при парциальном давлении аргона 100-500 мкм (13,33-66,65 Па). Образец нагрели, приблизительно, до 1100 o С и выдерживали при этой температуре до тех пор, пока не закончилось плавление покрытия на поверхности образца (приблизительно, от 2 до 10 мин). Затем образец медленно и однородно охлаждали при сохранении атмосферы аргона до тех пор, пока температура не достигла, приблизительно, 300 o С или ниже, после чего образец извлекли из печи и оставили охлаждаться до температуры окружающей среды (как использовано здесь, "температура окружающей среды" является синонимом понятия "комнатная температура", т.е. приблизительно от 15 до 35 o С). Пример 3. Нанесение износостойкого покрытия на образец в атмосфере водорода
Износостойкое покрытие нанесли на образец, как в примере 2, за исключением того, что его нагревали в вакуумной печи при небольшом избыточном давлении водорода (приблизительно от 1 до 2 фунтов на квадратный дюйм (6895-13790 Па). Пример 4. Термическая обработка металлической поверхности
Износостойкое покрытие нанесли на образец, как в примере 2. Затем образец подогрели до температуры аустенизации (закалки) стальной основы (а именно 845 o С для стали 1045), затем закалили в закалочном масле, имеющемся на рынке сбыта. Затем образец подогрели до температуры, приблизительно, от 275 до 300 o С для отпуска мартенсита, образовавшегося при закалке, и дали охладиться на воздухе до температуры окружающей среды. Пример 5. Нанесение износостойкого покрытия на рашпильный вал зерноуборочного комбайна
Износостойкое покрытие нанесли на поверхность рашпильного вала посредством разбрызгивания по его очищенной поверхности суспензии сплава 2 (таблица 1, пример 1), а именно, весовое отношение сплава к раствору PVA составляло 6,0:1, а водный раствор PVA содержал 5,0% PVA для получения суспензии типа 0600/0500. После высушивания эмульсии на поверхности рашпильного вала таким же образом, как в процедуре примера 2, сплав на рашпильном валу расплавили в печи конвейерного типа в атмосфере водорода при избыточном давлении водорода и температуре около 1100 o С. После нанесения покрытия рашпильный вал охладили до температуры закалки, которую выбрали в соответствии с маркой стали основы, как описано выше в примере 4, а затем подвергали закалке в закалочном масле, имеющемся на рынке сбыта, или в полимерной закалочной среде, в зависимости от марки стали. Закаленный рашпильный вал затем можно было подвергнуть дополнительной термической обработке, как в примере 4. Пример 6. Нанесение износостойкого покрытия на кромку лезвия газонокосилки
Лезвие газонокосилки упрочнили посредством нанесения износостойкого покрытия в соответствии с процедурой примера 2, за исключением того, что использовали сплав 1 (таблица 1, пример 1) вместо сплава 3. Затем его подвергли термической обработке, как в примере 4. Пример 7. Нанесение износостойкого покрытия на отливку корпуса держателя питателя сельскохозяйственного комбайна, сделанную из пластичного чугуна
Поверхность корпуса держателя подготовили для нанесения износостойкого покрытия, как в примере 2. Затем на поверхность подлежащей упрочнению детали нанесли разбрызгиванием 10%-ный водный раствор PVA. Сразу после этого на поверхность, покрытую раствором PVA, нанесли напылением сплав 4 (таблица 1, пример 1) и корпус нагревали в печи с принудительной циркуляцией воздуха до температуры около 120 o С до тех пор, пока не высушили связующее покрытие PVA для образования слоя сплав/PVA. Участок детали, не подлежащий упрочнению, оставили без покрытия связующим агентом PVA и сплавом. Следует отметить, что в этом втором варианте способа по настоящему изобретению нет необходимости получать суспензию перед нанесением порошкового сплава. Затем корпус нагрели до температуры около 1100 o С для плавления покрытия. Нагрев осуществляли в печи конвейерного типа при избыточном давлении водорода (приблизительно от 1 до 2 фунтов на квадратный дюйм (6895-13790 Па)), и выдерживали корпус держателя при температурах, приблизительно, от 1065 до 1075 o С в течение, приблизительно, 2-5 минут. Затем корпус поместили в солевую ванну для аустенизации, нагретую до температуры, приблизительно, от 275 до 325 o С, и выдерживали в ванне в течение 4-6 часов при этой температуре до тех пор, пока не закончилось структурное превращение материала. Затем его извлекли из ванны и охладили на воздухе до температуры окружающей среды.

Формула изобретения

1. Способ упрочнения поверхности металла износостойким покрытием, отличающийся тем, что он содержит следующие операции: a) получение преимущественно однородной водной суспензии поливинилового спирта и предназначенного для плавления твердого металлического сплава, содержащего, по меньшей мере приблизительно, 60% железа, в виде мелкодисперсного порошка и одной или более добавок из группы, включающей диспергирующие агенты, дефлоккулирующие агенты и пластификаторы, без флюса; b) покрытие поверхности металла водной суспензией; c) сушку водной суспензии для образования на поверхности металла затвердевшего слоя предназначенного для плавления твердого металлического сплава в матрице из поливинилового спирта; d) нагрев поверхности металла со слоем предназначенного для плавления твердого металлического сплава в матрице из поливинилового спирта до температуры плавления сплава в условиях защитной атмосферы при небольшом избыточном давлении до тех пор, пока сплав не расплавится на поверхности металла; е) охлаждение поверхности металла с расплавленным упрочняющим покрытием до температуры окружающей среды. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что операции b) и с) повторяют, по меньшей мере, один раз. 3. Способ по одному из пп. 1 и 2, отличающийся тем, что сплав содержит преимущественно один или более элементов, выбираемых из железа, никеля и кобальта, и два или более элементов, выбираемых из бора, углерода, хрома, молибдена, марганца, вольфрама и кремния. 4. Способ по одному из пп. 1-3, отличающийся тем, что поверхность металла является поверхностью сельскохозяйственного орудия. 5. Способ по одному из пп. 1-4, отличающийся тем, что сплав нагревают до температуры плавления в условиях атмосферы аргона. 6. Способ по одному из пп. 1-5, отличающийся тем, что сплав нагревают до температуры плавления в условиях атмосферы водорода. 7. Способ упрочнения поверхности металла износостойким покрытием, отличающийся тем, что он включает следующие операции: a) покрытие поверхности металла водным раствором поливинилового спирта; b) распределение преимущественно однородного слоя, предназначенного для плавления, твердого металлического сплава в виде мелкодисперсного порошка по покрытию из раствора поливинилового спирта, выполняемое во время операции а) перед сушкой раствора поливинилового спирта; c) сушку покрытия из водного раствора поливинилового спирта для образования затвердевшего слоя, предназначенного для плавления, твердого металлического сплава, связанного с поверхностью металла с помощью покрытия из поливинилового спирта; d) нагрев поверхности металла, покрытой слоем предназначенного для плавления твердого металлического сплава, связанного с поверхностью металла с помощью покрытия из поливинилового спирта, до температуры плавления сплава в условиях защитной атмосферы при небольшом избыточном давлении до тех пор, пока сплав не расплавится на поверхности металла; e) охлаждение поверхности металла с расплавленным упрочняющим покрытием до температуры окружающей среды. 8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что операции а), b) и с) повторяют, по меньшей мере, один раз. 9. Способ по п. 7, отличающийся тем, что сплав содержит, по меньшей мере, около 60% железа. 10. Способ по одному из пп. 7-9, отличающийся тем, что твердый металлический сплав в виде мелкодисперсного порошка получают с помощью распылителя порошка. 11. Способ по одному из пп. 7-10, отличающийся тем, что сплав содержит преимущественно один или более элементов, выбираемых из железа, никеля и кобальта, и два или более элементов, выбираемых из бора, углерода, хрома, молибдена, марганца, вольфрама и кремния. 12. Способ по одному из пп. 7-11, отличающийся тем, что поверхность металла является поверхностью сельскохозяйственного орудия. 13. Способ по одному из пп. 7-12, отличающийся тем, что сплав нагревают до температуры плавления в условиях атмосферы аргона. 14. Способ по одному из пп. 7-13, отличающийся тем, что сплав нагревают до температуры плавления в условиях атмосферы водорода. 15. Суспензия для упрочнения металлической поверхности, отличающаяся тем, что она содержит предназначенный для плавления твердый металлический сплав в виде мелкодисперсного порошка, содержащий, по меньшей мере, около 60% железа, в водном растворе поливинилового спирта. 16. Суспензия по п. 15, отличающаяся тем, что сплав содержит бор, углерод, хром, железо, марганец, никель и кремний. 17. Суспензия по п. 15 или 16, отличающаяся тем, что средний размер частиц сплава составляет приблизительно 200 меш или менее.

Способ нанесения антифрикционного покрытия при поверхностном пластическом деформировании внутренних цилиндрических поверхностей // 2185270

Изобретение относится к области технологии машиностроения, в частности к способам нанесения антифрикционных покрытий при поверхностном пластическом деформировании, и может быть использовано для обработки высокоточных внутренних цилиндрических поверхностей, например отверстий в стыковых узлах крепления консолей крыла самолета, внутренних поверхностей гидроцилиндров и др

Изобретение относится к области нанесения покрытий фрикционно-механическим способом и может быть использовано для нанесения покрытий на внутренние и внешние цилиндрические поверхности, например гильз и плунжеров пар топливных насосов двигателей внутреннего сгорания, либо вкладышей подшипников скольжения и шеек коленчатых валов, либо плунжерных пар трения компрессоров // 2170286

Таблица 1.3.5.1

Класс и метод 1. Упрочнение созданием пленки на поверхности 1.2 Упрочнение изменением структуры поверхностного слоя Физико-термическая обработка Электрофизическая обработка 1.3 Механическая обработка 1.4 Упрочнение физическими методами 1.5 Упрочнение изменением шероховатости поверхности Электрохимическое полирование Обработка резанием Пластическое деформирование Электроплазменное полирование Методы упрочнения поверхностей Оксидирование, сульфидирование, фосфатирование Лазерная закалка, плазменная закалка Электроимпульсная обработка, электроконтактная обработка, электроэрозийная обработка, ультразвуковая обработка Упрочнение вибрацией, фрикционно-упрочняющая обработка, дробеструйная обработка, обработка взрывом, термомеханическая обработка, поперечно-клиновая прокатка, прокатывание, волочение, редуцирование Ионная, лазерная, плазменная обработки Окунанием в ванну в струе электролита Шлифование, суперфиниширование, хонингование Накатка, раскатка, обработка дробью 2. Методы упрочнения поверхностей путем нанесения покрытий 2.1 Напыление износостойких соединений 2.2 Электролитическое осаждение Осаждение твердых осадков и паров 2.4 Наплавка легированным металлом Плазменное напыление порошковых материалов, детонационное напыление, электродуговое напыление, лазерное напыление Хромирование, никелирование, электрофорез, никельфосфатирование, борирование, борохромирование, хромофосфотирование Электроискровое легирование, термическое испарение тугоплавких соединений, катодно-ионная бомбардировка, прямое электронно-лучевое испарение, электрохимическое испарение Газовым пламенем, электрической дугой, плазмой, лазерным лучом, пучком ионов

Упрочнение физическими и физико-химическими методами

Для повышения износостойкости и твердости поверхности деталей машин, работающих в условиях повышенных температур в инертных газах, жаростойкости и коррозионной стойкости поверхности применяют упрочнение методами электроискровой обработки. Этот метод заключается в легировании поверхностного слоя металла изделия (катода) материалом электрода (анода) при искровом разряде в воздушной среде. В результате химических реакций легирующего металла с азотом, углеродом и металлом детали в поверхностных слоях образуются закалочные структуры и сложные химические соединения, возникает диффузионный износостойкий упрочненный слой, имеющий высокую твердость. Для нанесения многослойных покрытий используют методы ионно-плазменной обработки.

Упрочнение методами пластического деформирования

Упрочнение выполняется с целью повышения сопротивления усталости и твердости поверхностного слоя металла и формирования в нем направленных внутренних напряжений, преимущественно напряжений сжатия, а также регламентированного рельефа микронеровностей на поверхности.

Упрочняющую обработку поверхностным пластическим деформированием эффективно применяют на финишных операциях технологического процесса изготовления деталей машин взамен операций окончательной обработки резанием лезвийными или абразивными инструментами.

Поверхностное пластическое деформирование, выполняемое без использования внешнего тепла и обеспечивающее создание указанного комплекса свойств поверхностного слоя, называют наклепом.

Слой металла, в котором проявляются эти свойства, соответственно называют наклепанным.

В результате наклепа повышаются все характеристики сопротивления металла деформации, понижается его пластичность и увеличивается твердость.

Интенсивность наклепа тем выше, чем мягче сталь; на незакаленных сталях в результате поверхностного деформирования можно получать увеличение твердости более 1000 %, а у закаленных только на 10-15%. Прирост твердости определяется структурой деформируемой стали.

Наклеп поверхности выполняют бомбардированием ее струей стальной или чугунной дроби, шариков либо суспензии, содержащей абразивные частицы; обкатывание роликами, шарами или ратационным инструментом, чеканкой.

Дробеструйный наклеп обеспечивает неглубокую пластическую деформацию до 0,5-0,7 мм. Применяют для поверхностей небольших деталей сложных форм, а также деталей малой жесткости типа пружин, рессор и др.

Применяют преимущественно стальную дробь диаметром 0,8-2 мм. Глубина наклепа при дробеструйной обработке не превышает 0,8 мм.

Поверхность детали приобретает некоторую шероховатость и последующей обработке не подвергается.

Режим обработки определяется скоростью подачи дроби, расходом дроби в единицу времени и экспозицией – временем, в течении которого обрабатываемая поверхность находится под ударами дроби. Поверхность детали должна быть полностью покрыта следами-вмятинами.

Поверхностная твердость обрабатываемого материала и глубина пластической деформации зависят от режимов упрочнения, физико-механических свойств, структуры и химического состава материала. Наибольшее влияние на поверхностную твердость оказывает удельное давление деформирующего элемента в контакте с обрабатываемой деталью и кратность приложения этого давления. Превышение предельно допустимого давления или числа циклов нагружения сопровождается остановкой роста твердости и ее снижения в связи перенаклепом, т. е. разрушением поверхностного слоя металла, возникающим в результате наступившего предела пластического деформирования его кристаллической решетки.

Для упрочнения изделий с твердостью до HRC65 применяют метод алмазного выглаживания. Он может заменить операции окончательного шлифования, полирования поверхностей. Метод широко универсален. Рационален для обработки стальных закаленных и термически не упрочненных деталей, с поверхностными покрытиями и без них, па так же деталей из цветных металлов и сплавов.

Наклеп поверхностного слоя струей суспензии (жидкость + абразивные частицы) применяют для случаев, когда требуется наибольшая глубина упрочненного слоя.

Упрочнением энергией взрыва можно повысить износостойкость при истирании, твердость поверхностного слоя, пределы прочности и текучести, статическую прочность (сварных соединений в результате сквозного наклепа сварного шва и зоны термического влияния), циклическую прочность, улучшить качество поверхностного слоя металла.

Упрочнение при импульсных нагрузках взрывом существенно отличается от упрочнения в обычных условиях.

При ударе с большей скоростью, свойственному взрыву, эффект упрочнения возрастает по мере увеличения скорости удара. В металле могут возникнуть высокие локальные температуры, вызывающие фазовые превращения в локальных участках. Одновременно действуют процессы, присущие упрочнению при обычных скоростях деформирования, такие, как двойникование, сдвиги, фрагментация.

Поверхности лопаток подвергаются упрочнению после окончательной механической и термической обработок.

Упрочнение детали микрошариками позволяет:

а) создать тонкий наклеп на деталях, имеющих острые кромки или малые радиусы впадин галтелей, канавок;

б) ликвидировать в поверхностном слое возможные после механической обработки остаточные растягивающие напряжения и создать сжимающие остаточные напряжения;

в) повысить твердость поверхности;

г) повысить и стабилизировать предел выносливости;

д) повысить чистоту поверхности на один - два класса до 0,63 …0,32

В ряду упрочняющих технологий особое место занимает ультразвуковое упрочнение. Упрочнение металла ультразвуковой обработкой обладает рядом особенностей – экспрессностью, высокой эффективностью, возможностью обработки изделий, не поддающихся упрочнению другими способами. Кроме того, совмещение ультразвуковой с какой – либо другой упрочняющей обработкой зачастую может усилить эффективность последней. К достоинствам ультразвукового упрочнения следует также отнести возможность создания для определенного класса деталей поверхностного и объемного наклепа, а так же их комбинаций. При этом достигается выгодное распределение внутренних напряжений в металле и такое структурное состояние, при котором удается увеличить в 2-3 раза запасы прочности деталей, работающих при переменных нагрузках, увеличить срок их службы в десятки раз.

Ультразвуковую упрочняющую обработку можно осуществить либо в жидкости, в которой распространяются ультразвуковые колебания, либо с помощью деформирующих тел, колеблющихся с ультразвуковой частотой.

Ультразвуковой волновой процесс в жидкости сопровождается возникновением большего числа разрывов, в виде мельчайших пузырьков в полупериод растяжения, и захлопыванием их в полупериод сжатия – кавитацией. В момент захлопывания пузырьков развиваются местные мгновенные давления, достигающие сотен атмосфер. Кавитационные пузырьки зарождаются преимущественно на поверхности помещенных в жидкость изделий. При захлопывании пузырьков происходит наклеп поверхности детали. Глубина наклепа, твердость, а следовательно и износостойкость наклепанного слоя.

Ультразвуковое упрочнение деталей с помощью деформирующих тел может осуществляться по двум технологическим схемам:

а) воздействием на обрабатываемую поверхность непосредственно инструментом;

б) воздействием на обрабатываемую поверхность рабочей средой (стальными шариками).