способ упрочнения поверхности длинномерного стального тела вращения

Формула изобретения

Способ упрочнения поверхности длинномерного стального тела вращения, включающий его нормализацию, нанесение покрытия, термомеханическую обработку, отличающийся тем, что для получения полидисперсного покрытия на основе сплавов внедрения на поверхность наносят суспензию экзотермической смеси, содержащую равномерно распределенные в ней металлы 4-6 групп в соотношении, рассчитанном по уравнению реакции синтеза сплавов внедрения, производят скоростной нагрев токами высокой частоты, при котором инициируют процесс самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, одновременно с которым проводят деформирование путем обкатки упрочняемой поверхности со степенью деформации 7-12% с немедленным охлаждением водовоздушной смесью.

Описание изобретения к патенту

Изобретение может быть использовано при упрочнении металлических поверхностей деталей машин путем химико-термической обработки (нанесение на поверхность металла твердого износостойкого покрытия).

Известен способ получения износостойкого изделия (RU 2093309 С1, 20.10.1997, B22F 7/04), включающий нанесение на поверхность несущей металлической основы слоя порошкообразного тугоплавкого материала, соединение с основой путем его уплотнения, термической обработки и одновременной пропитки расплавом металла, температура плавления которого ниже температуры плавления металла основы.

Способ позволяет получить достаточно твердый поверхностный слой, способствующий обеспечению износостойкости детали.

Недостатками этого способа являются:

- значительная длительность и сложность процесса;

- невозможность получения поверхности с низкой шероховатостью.

Известен способ поверхностного упрочнения деталей машин (RU 2098509 С1, 12.10.1997, С23С 8/60), включающий приготовление путем прессования обкладок (аппликаций) из насыщающей порошковой смеси, которые накладываются на подвергаемое насыщению место, после чего осуществляют циклический нагрев ТВЧ, плотно прижимая обкладки к поверхности, а деталь смещают относительно обкладок при размягчении их внутренних слоев.

Способ позволяет обеспечить диффузионное насыщение поверхностных слоев упрочняемых деталей машин различными химическими элементами из твердых фаз.

Недостатками данного способа являются:

- неравномерность нанесения легирующего слоя и необходимость иметь большую величину припуска на механическую обработку;

- недостаточное сцепление материала покрытия с материалом основы.

Известен способ нанесения покрытий на металлические поверхности тел вращения (RU 2000114597 А, 10.06.2002, С23С 24/02 - принято за прототип), включающий нанесение покрытия в виде порошка на поверхность, смоченную электролитом, и одновременным прессованием порошка вращающимися роликами с противоположных сторон детали с усилием, превышающим предел текучести наносимого материала, при этом ролики подключены к положительному полюсу источника питания, а обрабатываемая деталь к отрицательному полюсу источника питания.

Данный способ позволяет повысить износостойкость деталей, работающих в условиях трения, и устранить некоторые недостатки, отмеченные в предыдущих способах.

Однако данный способ обработки также отличается длительностью технологического процесса, не обеспечивает достаточной диффузии материала покрытия в основной металл.

Задача заявленного изобретения - это существенное повышение твердости и износостойкости обработанной поверхности при совмещенном режиме выполнения операций ее легирования твердым сплавом термомеханической упрочняющей обработки и выглаживающего воздействия инструментом с образованием направленного микрорельефа на поверхности детали.

Задача решается тем, что предварительно производят нормализацию детали, проводят самораспространяющийся высокотемпературный синтез в процессе термомеханической обработки с заглаживанием поверхностного слоя и немедленным охлаждением водовоздушной смесью.

Суть изобретения состоит в следующем. На поверхность предварительно нормализованной детали, изготовленной из менее дефицитного (более дешевого) материала, наносят суспензию экзотермической (высокоэнергетической) смеси с введенными и равномерно распределенными металлами 4-6 групп в соотношении, рассчитанном по уравнению реакции синтеза сплавов внедрения. Производят скоростной нагрев ТВЧ, при котором инициируется процесс самораспространяющегося высокотемпературного синтеза с целью получения полидисперсного покрытия на основе сплавов внедрения. Одновременно с прохождением СВС-процесса прикладывают деформирующую нагрузку путем обкатки упрочняемой поверхности со степенью деформации 7-12% с немедленным охлаждением водовоздушной смесью. При этом обеспечивают высокую прочность сцепления указанных сплавов внедрения с основой путем взаимного проникновения за счет деформации поверхностного слоя и упрочнения детали. В поверхностном слое происходит значительный рост плотности дислокаций.

В отличие от известных способов предлагаемый технологический процесс отличается низкой стоимостью оборудования, безопасностью работы. Исключается традиционная механическая алмазно-абразивная финишная обработка, т.к. достигается требуемая по условиям эксплуатации точность размеров и шероховатость поверхностей.

На чертеже показан пример конкретного использования для валков стана холодной прокатки. Бралась заготовка 1 диаметром 13 мм из материала 9ХС. Готовилась смесь с составом, рассчитанным в соответствии с реакцией синтеза: 2Ti+2(CH)_n=2nTiC+nH ₂

1/2Мо+S=1/2MoS₂

1/2Мо+Si=1/2MoSi ₂

Приготовление исходной смеси.

В ступке перемешивали 48 г порошка титана грануляцией до 40 мкм, 24 г порошка молибдена грануляцией до 20 мкм, 12 г порошка углерода (сажи), 2,1 г порошка серы, 14 г аморфного кремния и перекладывали в емкость, куда добавляли цапон-лак в количестве 3-5 капель лака консистенции олифы (сливок) на 1 см³ порошка (˜2 г) и ацетон в количестве, необходимом для создания консистенции масляной краски (жидкой сметаны). Полученный состав тщательно перемешивался и наносился кистью на заготовку. После обмазки экзотермической смесью 2 заготовка подвергалась термомеханической обработке с непрерывно-последовательным воздействием: нагрев в индукторе 3 до 1000°С. В процессе нагрева происходило самовоспламенение смеси и проходила реакция самораспространяющегося высокотемпературного синтеза с деформированием в роликах 4, где обжималась со степенью деформации 10%, после выхода из очага деформации охлаждалась в душевом устройстве 5 водой. В результате получалась термоупрочненная заготовка. Твердость на поверхности составляла 62-64 ед. HRC, шероховатость - не более 10 мкм. Далее проводили шлифовку и полировку до шероховатости 0,4-0,5 мкм.

Полученные валки использовали для прокатки особо тонкой ленты толщиной 0,01 мм. При этом стойкость валков увеличивалась в сравнении с валками, получаемыми по импорту (Япония, Швеция) в 1,6-1,8 раза.

Таким образом, в результате использования предлагаемого способа в поверхностном слое обрабатываемой детали создается термически упрочненная легированным твердым сплавом структура с регулярным микрорельефом поверхности и заданной шероховатостью, чем обеспечивается высокая износостойкость сопряжений, работающих в тяжелых условиях трения, агрессивной среде и т.п.