способ упрочнения поверхности изделия из стали

Формула изобретения

Способ упрочнения поверхности изделий из стали, включающий обработку путем ударного воздействия твердыми частицами на поверхность изделия с использованием газодинамического оборудования для разгона частиц и выброса их из сопла, отличающийся тем, что разгон частиц осуществляют сверхзвуковой струей воздуха, при этом в качестве твердых частиц используют порошок корунда, а обработку изделия ведут при скорости перемещения сопла (9-11)^-2 м/с, расстоянии от сопла до поверхности изделия (9-11)^-2 м и температуре воздуха на выходе из сопла 300-400°С.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению, в частности к способам поверхностного пластического деформирования (ППД) твердыми частицами, и предназначено для упрочнения поверхностей деталей, например шеек и галтелей коленчатых валов двигателей, компрессоров, изготовленных из железоуглеродистых сплавов.

Известны способы упрочнения деталей дробью или другими частицами (Одинцов Л.Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием: Справочник. - М.: Машиностроение, 1987. - 328 с, с.242-259 [l]), например дробеструйный (ДУ), пневмодинамический (ПДУ), заключающиеся в том, что поверхность изделий из железоуглеродистых сплавов обрабатывается потоком дроби с использованием струи воздуха. При этом достигаются следующие энергетические параметры процесса обработки дробью: скорость дроби - до 10 м/сек (табл.53, стр.246[l]) при удельной энергии частиц - до 6×10^-4 Дж (табл.70, стр.300 [1]).

Обработка дробью приводит к повышению твердости в поверхностном слое металла на глубину до 2×10 ^-4 м (фиг.158, стр.247 [1]). При этом происходит упрочнение поверхностного слоя со степенью наклепа до 25% при обработке в течение 60 секунд.

Достигаемые энергетические характеристики и параметры обработки дробью позволяют повысить сопротивление разрушению при циклических нагрузках в 3,2 раза дробеструйной и 5,1 раза пневмодинамической обработкой по сравнению с шлифованием (таблица 71, стр.300 [1]). Причем, чем больше скорость и энергия дроби (частиц), тем больший эффект сопротивления разрушению при циклическом нагружении можно получить (таблица 70, стр.300 [1]).

Известен способ упрочнения поверхности изделий из стали путем ударного воздействия твердыми частицами на обрабатываемую поверхность с использованием газодинамического оборудования для разгона частиц и выброса их из сопла.

Патент РФ № 2106236, кл. B24C 3/32, 1998 г.

Данный способ по технической сущности и достигаемому результату наиболее близок к изобретению и, поэтому, принят за прототип.

К основным недостаткам известного способа можно отнести необходимость применения дополнительной оснастки (экранов), которая защищает и предохраняет необрабатываемую поверхность деталей от воздействия дроби.

Кроме того, режимы упрочнения характеризуются значительной нестабильностью, что объясняется следующими причинами: большим допуском на диаметр дроби (например, для диаметра дроби 0,5-0,8 мм или 0,8-1 мм допуск составляет около 1/3 диаметра дробинки); ускоренным изнашиванием дроби вследствие сухого трения, которое приводит к заметному уменьшению диаметра дроби уже в течение одной смены, что снижает стабильность процесса, так как энергия удара пропорциональна диаметру дроби третьей степени; значительным допуском на давление воздуха (стр.245 [1]). В результате производительность известного способа низка - время обработки 1 см² поверхности составляет 60 сек.

Техническим результатом заявленного способа является повышение производительности процесса за счет сокращения времени.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе упрочнения поверхности изделий из стали, путем ударного воздействия твердыми частицами на обрабатываемую поверхность с использованием газодинамического оборудования для разгона частиц и выброса их из сопла, разгон частиц осуществляют сверхзвуковой струей воздуха, в качестве твердых частиц используют порошок корунда, а обработку изделия ведут при скорости перемещения сопла - (9-11)^-2 м/сек, расстоянии от сопла до поверхности изделия -(9-11) ^-2 м и температуре воздуха на выходе из сопла 300-400°C.

Согласно изобретению в качестве газодинамической установки используют установку типа «Димет-404», корунд марки К-00-04-16.

Изобретение иллюстрируют примерами выполнения.

Пример 1.

Пластину из стали 40Х обрабатывают путем ударного воздействия частицами корунда размером до 300 мкм с использованием газодинамического оборудования «Димет-404» для разгона частиц и выброса их из сопла. Разгон частиц осуществляют сверхзвуковой струей воздуха. Обработку изделия ведут циклически при скорости перемещения сопла - 10^-2 м/сек, расстоянии от сопла до поверхности изделия -10^-2 м и температуре воздуха на выходе из сопла 360°C.

Пример 2.

Цилиндрический образец из стали 40Х обрабатывают путем ударного воздействия частицами корунда. Процесс ведут по технологии, описанной в примере 1.

Пример 3.

Для получения значений оптимальных параметров процесса ведут обработку изделий по технологии, описанной в примере 1, меняя параметры обработки изделия. Затем проводят физико-механические исследования обработанных образцов.

Проведенные исследования на среднеуглеродистой легированной конструкционной стали 40Х, которая используется в машиностроении для изготовления широкой номенклатуры ответственных деталей, например валов, показали возможность повышения прочности за счет газодинамической обработки корундом. В качестве основных изменяемых параметров обработки были выбраны: температура струи воздуха - T (°C) и время воздействия корундом на сталь - (сек).

Оптимизация технологических параметров обработки корундом проводилась на основе результатов измерения твердости по глубине методом Виккерса (HV 0,1/10 ГОСТ 2999-75 в редакции 1987 г.).

Было получено повышение исходной твердости стали с 206 кг/мм² (2019 МПа) до 265 кг/мм ² (2597 МПа) (фиг.1). При этом происходило упрочнение структуры металла со степенью наклепа 25% при температуре потока воздуха T=360°C.

На фиг.1 показан прирост твердости от глубины обработки в зависимости от времени обработки. 1 - от 9 до 15 сек, 2-30 сек. Время обработки 1 см² поверхности =9 секунд.

Для уточнения оптимальных режимов обработки образцы стали испытывались и обрабатывались согласно ГОСТ 1497-84 на растяжение при статическом нагружении с использованием универсальной испытательной машины фирмы INSTRON с записью диаграммы нагрузка - деформация и с регистрацией данных в системе ACTest-Pro 1.14. Скорость нагружения составляла 33×10^-6 м/сек.

Испытания образов на растяжение при статическом нагружении после обработки предложенным способом представлены в таблице.

№ п/п	Варианты обработки стали 40Х	Результаты испытания
B, кг/мм2	Оценка, %	Тенденция
1	Без обработки корундом	60,132	100	-
2	Обработка корундом: =3 сек, T=360°C	60,452	100,5
3	Обработка корундом: =9 сек, T=360°C	61,465	102,2

4	Обработка корундом =15 сек, T=360°C	59,551	99,0
5	Обработка корундом =30 сек, T=360°C	56,923	94,6
6	Обработка корундом =9 сек, T=20°C	58,442	97,2

Из представленных данных видно, что только обработка корундом в течение 15 с приводит к повышению прочности (поз. № 3, таблица).

Как показали испытания образцов, наилучшие результаты достигаются тогда, когда обработку ведут при скорости перемещения сопла - (9-11)^-2 м/сек, расстоянии от сопла до поверхности изделия - (9-11)^-2 м и температуре воздуха на выходе из сопла 300-400°C.

Таким образом, использование предложенного способа позволяет без снижения степени наклепа в 2-4 раза сократить время обработки изделия по сравнению с известным способом и, тем самым, увеличить производительность процесса.