способ электроискрового упрочнения поверхностей стальных деталей

Формула изобретения

Способ обработки поверхностей стальных деталей, включающий образование покрытий с чередованием слоев, получаемых электроискровым и не электроискровым способами, отличающийся тем, что первый слой наносят способом электроискрового легирования, при этом коэффициенты теплопроводности материалов детали и первого слоя удовлетворяют условию

_{покр дет},

где _покр и _дет - соответственно коэффициенты теплопроводности материалов образуемого слоя покрытия и материала основы, а второй слой наносят электродом, материал которого с предыдущим легированным слоем покрытия образует неограниченные твердые растворы заданного состава, после чего поверхность упрочняют методом электроискрового легирования электродом с образованием дополнительного покрытия.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к электрофизическим и электрохимическим методам обработки материалов, в частности к способам электроискрового упрочнения поверхностей деталей из токопроводящих материалов.

Известен способ упрочнения поверхностей деталей нанесением на основу под действием электрического разряда материала анода, повышающим эксплуатационные свойства рабочих поверхностей. (См. книгу А.Д.Верхотурова и др. "Электродные материал для электроискрового легирования". М.: Наука. 1998. - 224 с.) Обладая значительным количеством преимуществ но сравнению с другими способами упрочнения, способ электроискрового легирования (ЭИЛ) имеет существенные недостатки. к которым относятся: небольшая толщина образуемых покрытий (0,05-0,08 мм), пористость, низкая производительность (до 4 см²/мин). Это уменьшает технологические возможности процесса, ограничивая его применение при ремонтных и восстановительных работах.

Возможности преодоления указанных недостатков может быть реализована в применении технологий наплавки и напыления (См. книгу Хасуи А., Моригаки О. "Наплавка и напыление" / Пер. с яп. Х12 B.Н.Попова: под. ред. B.C.Степина, Н.Г.Шестеркина. М.: Машиностроение, 1985. - 240 с.), в том числе в сочетании с другими способами поверхностной обработки. Однако при этом отмечаются следующие недостатки: ухудшение свойств наплавленного слоя из-за перехода в него элементов основного металла, деформация изделия, вызываемая высокой погонной энергией наплавки; ограниченный выбор сочетаний основного и наплавленного металла, при использовании напыления - недостаточная адгезионная прочность между основным материалом и материалом покрытия.

Наиболее ближним техническим решением является "Способ электроискрового упрочнения поверхностей металлических изделий" по авт. свид. №96861, заявл. 29.01.1949 г. №407/390942. опубл. БИ №1, 1954 г. в котором с целью обеспечения возможности увеличения толщины упрочняющего покрытия после электроискрового нанесения каждого очередного слоя наносят любым неэлектроискровым способом промежуточный слой из материала изделия. При этом в качестве способов нанесения промежуточных слоев могут быть применены: металлизация, наплавка, способы погружения в ванну с расплавленным металлом и др.

В качестве недостатков предлагаемого технического решения можно указать: необоснованный выбор используемых материалов как для выполнения ЭИЛ, так и для наплавки; отсутствие ограничения по параметрам режимов технологических процессов. Так, "нанесение любым неэлектроискровым способом промежуточного слоя из материала изделия" (по авт. свид. №96861) не позволяет упрочнять способом ЭИЛ поверхности металлических изделий, так как образуемый слой, соответствующий характеристикам материала основы, при окислении имеет худшие показатели. Если же в качестве материала электрода для ЭИЛ взять титан или его сплавы, то последующее нанесение слоя наплавкой или напылением приводит к тому, что наносимый слой отделяется от основы, так как на границе основного металла и ранее нанесенного ЭИЛ слоя образуется хрупкая прослойка интерметаллических соединений (книга Хасуи А., Моригаки О. "Наплавка и напыление" / Пер. с яп. X12 В.Н.Попова; под. ред. B.C.Степина, Н.Г.Шестеркина. М.: Машиностроение, 1985. - 240 с.), а также выполненные опыты заявителей. Вторым недостатком использования способа ЭИЛ для образования слоя покрытия является разрушение покрытия, имеющее место для всех электродных материалов в связи с неаддитивной закономерностью образования покрытия на катоде - детали при достижении порога хрупкого разрушения, который зависит от энергетических параметров технологии процесса ЭИЛ (смотри книгу Верхотуров А.Д., Подчерняева И.А., Прядко Л.Ф., Егоров Ф.Ф. "Электродные материалы для электроискрового легирования." М.: Наука, 1988. 224 с.) Определяя это явление, можно отметить, что вместо упрочнения поверхностного слоя способом ЭИЛ в сочетании с наплавкой мы получаем его разупрочнение.

Технической задачей изобретения является увеличение толщины образуемого покрытия, повышение производительности, качества упрочнения поверхностей деталей из сталей при использовании способа электроискрового упрочнения в совокупности с процессом наплавки. Указанная техническая задача достигается тем, что электроискровое упрочнение поверхностей стальных деталей путем образования многослойных покрытий с чередованием слоев, получаемых электроискровым и неэлектроискровым способами, отличается тем от известного, что первый слой наносится толщиной, равной половине максимально допустимой для материалов детали и электрода способом электроискрового легирования, а второй слой формируют наплавкой электродом, материал которого с предыдущим легированным слоем образует неограниченные твердые растворы заданного состава, при этом коэффициент теплопроводности материалов упрочняемой детали и первого слоя, образуемого электроискровым способом удовлетворяют условию: _{покр дет}, где _покр и _дет соответственно коэффициенты теплопроводности материалов образуемого ЭИЛ покрытия и материала основы.

Для решения поставленной задачи при образовании слоя ЭИЛ на поверхности необходимо учитывать соотношение коэффициентов теплопроводности материала детали ( _дет) и материала образуемого покрытия ЭИЛ ( _покр), а также образование неограниченных твердых растворов с материалом электрода наплавки, которое определяется однотипностью сингонии кристаллической решетки и разностью размеров атомных радиусов не более чем 15% для применяемых материалов. Предпочтительным является соотношение _{покр дет} при котором энергия теплового потока в процессе образования второго слоя покрытия наплавкой будет передаваться преимущественно в металл детали, образуя в целом покрытие с наименьшим градиентом термоупругих характеристик (остаточных внутренних напряжений) с плавно изменяющимися упругими свойствами. При этом усиливаются процессы легирования за счет диффузии элементов слоя ЭИЛ, обеспечивая повышенную когезионную и адгезионную связь.

В соответствии с предлагаемым способом были восстановлены и упрочнены поверхности из многих деталей из сталей, например поверхности распределительного вала двигателя внутреннего сгорания автомобиля, изготовленного из стали 40Х. Опорная поверхность вала имеет износ диаметрального размера 500-700 мкм и требует восстановления и упрочнения. Слой покрытия должен обеспечить припуск под чистовое и отделочное шлифование. С учетом этого суммарная толщина образуемого покрытия на сторону должна составлять 600-700 мкм при повышенном значении поверхностной твердости и износостойкости. Для этого способом ЭИЛ на поверхность наносят первый слой толщиной 50 мкм хромовым электродом, имеющим атомный радиус r_a=1.249 нм (для Fe r_a=1.241 нм), тип решетки - ОЦК (у Fe - ОЦК) при наибольшей толщине формируемого слоя (до начала хрупкого разрушения) на поверхности детали 100 мкм. Железо и хром образуют неограниченные твердые растворы.

Второй слой покрытия наносят наплавкой толщиной от 650 мкм и более электродным материалом 11X15H25M6AГ2, также образующим с поверхностью, содержащей хром, неограниченные твердые растворы. Слой хрома, сформированный ЭИЛ, сокращает до минимума деформацию изделия, вызываемую погонной энергией наплавки. Наплавленный слой - равномерный, сплошной, не содержит пор, с минимальной зоной герметического влияния у основного металла. Рабочая поверхность после шлифования имеет микротвердость Н =5,0-6,0 ГПа. Восстановленная рабочая поверхность в дальнейшем упрочнялась методом ЭИЛ электродом из твердого сплава Т15К6 образованием дополнительного покрытия толщиной 0,05 мм с микротвердостью Н =2,0-13,0 ГПа Сравнительные испытания восстановленного распределительного вала ДВС и нового в реальных производственных условиях при пробеге автомобилей 80000 км показали, что износ рабочих поверхностей восстановленного вала на 27° меньше, чем у нового.

Таким образом, применение предлагаемого способа электроискрового упрочнения деталей из сталей в совокупности с процессом наплавки обеспечивает увеличение толщины образуемого покрытия, производительности, значительно повышает качество поверхностей.