Способ обработки поверхностей металлических деталей

 

Изобретение относится к машиностроению и преимущественно может быть использовано для создания металлокерамических покрытий на поверхностях деталей из черных и цветных металлов и сплавов. Способ включает изготовление модифицирующего состава на основе смеси измельченных до дисперсности 0,1-10,0 мкм серпентинитов, содержащей 32-45 мас.% кремния, 18-26 мас.% окиси магния, 10-14 мас.% окиси железа и 10-14 мас.% конституционной воды в связанном состоянии, изготовление технологической среды путем смешивания модифицирующего состава с жидким органическим связующим в количестве соответственно 0,5-30,0% и 70,0-99,5% от массы технологической среды, подачу технологической среды на обрабатываемую поверхность детали посредством погружения детали в технологическую среду и механоактивацию технологической среды в течение 5-60 мин ультразвуковыми механическими колебаниями с частотой 22-24 кГц и мощностью 0,1-10,0 кВт. Способ обеспечивает получение на поверхностях металлических деталей обладающего высокой долговечностью, равномерностью толщины и однородностью структуры металлокерамического слоя, имеющего заданные желаемые параметры, и позволяет обрабатывать как трущиеся, так и иные поверхности металлических деталей. 3 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к технологии обработки металлов с использованием энергии ультразвука, и преимущественно может быть использовано для создания металлокерамических покрытий на поверхностях деталей из черных и цветных металлов и сплавов, обладающих высокими триботехническими характеристиками, износостойкостью и коррозионной стойкостью, а также для восстановления изношенных металлических поверхностей путем создания на них металлокерамического слоя.

Известны способы обработки металлов давлением с использованием энергии ультразвука (SU 456704, 1975, SU 1720779, 1988, RU 2050222, 1995, RU 2127658, 1999), которые используются при финишной обработке поверхностей металлических деталей для повышения твердости поверхностного слоя, уменьшения шероховатости и снижения коэффициента трения и в общей для них части предусматривают воздействие на обрабатываемую поверхность ультразвуковыми механическими колебаниями посредством акустического инструмента, соединенного с ультразвуковым электромеханическим преобразователем, или рабочих тел, на которые наложено ультразвуковое поле. Однако возможности указанных известных способов по улучшению триботехнических и прочностных характеристик обрабатываемых поверхностей весьма ограничены, поскольку данное улучшение связано лишь с пластической деформацией и повышением чистоты обрабатываемых поверхностей, а не с их модификацией, например, путем создания металлокерамического поверхностного слоя. Кроме того, по этой же причине указанные известные способы не позволяют повышать коррозионную стойкость поверхностей и восстанавливать изношенные металлические поверхности.

Известен способ нанесения покрытия на поверхности трения (RU 2100478, 1997), согласно которому покрытие наносят путем натирания поверхности обрабатываемой цилиндрической детали акустическим инструментом в присутствии псевдокипящего слоя порошковой твердой смазки на основе графита, дисульфита молибдена или диселенида молибдена, частицам которой сообщают колебания ультразвуковой частоты, ориентированные относительно натираемой поверхности в радиальном и тангенциальном направлениях. Вследствие механического воздействия акустическим инструментом на частицы порошковой смазки происходит их интенсивная адгезия в микронеровности поверхности детали, обеспечивая заполнение последних. В результате механической нагартовки твердосмазочного покрытия на обрабатываемую деталь снижается шероховатость обрабатываемой поверхности и улучшаются ее антифрикционные свойства.

Однако увеличение ресурса работы детали с покрытием, нанесенным в соответствии с данным способом, обеспечивается только за счет снижения коэффициента трения, но при этом не достигается повышения микротвердости обрабатываемой поверхности и, следовательно, ее износостойкости. Поскольку нанесение твердосмазочного покрытия сводится к натиранию обрабатываемой детали, полученное покрытие обладает недостаточной долговечностью, что при эксплуатации детали с течением времени приводит к снижению ее антифрикционных свойств. Кроме того, обработка детали с использованием данного способа не обеспечивает повышения ее коррозионной стойкости, а также не позволяет выполнять восстановления поверхности детали за счет наращивания на ней слоя, компенсирующего ее предшествующий износ.

Известны способы обработки деталей трения (SU 152601, 1969, SU 1196552, 1985, SU 1668471, 1991), которые в общей для них части предусматривают изготовление смеси смазочного масла и металлосодержащей присадки, подачу изготовленной смеси в зону трения и приработку деталей трения в эксплуатационном или близком к нему режиме. При этом в качестве металлосодержащей присадки используют: - размещаемые в нижней части масляного картера механизма куски сплава олова, сурьмы или висмута в количестве 75,0-96,5% от массы сплава с натрием в количестве 3,5-25,0% от массы сплава, либо сплава олова, сурьмы или висмута в количестве 90,0-98,8% от массы сплава с литием в количестве 1,2-10,0% от массы сплава, а также добавляемые в смазочное масло галоиды, например йод, бром, хлор или фтор в количестве 0,02 - 0,08% от массы сплава (SU 152601, 1969); - состав из порошка меди в количестве 16-20% от массы смеси со смазочным маслом, порошка свинца в количестве 4-6% от массы смеси и порошка политетрафторэтилена в количестве 1-2% от массы смеси (SU 1196552, 1985); - состав из порошков меди или цинка и абразивных частиц, например, оксида алюминия с дисперсностью до 10 мкм (SU 1668471,1991).

Данные известные способы, использующие смеси смазочного масла с металлосодержащими присадками, обеспечивают повышение износостойкости только за счет уменьшения коэффициента трения вследствие либо выравнивания поверхности при заполнении частицами присадки микронеровностей поверхностей трения, либо образования на поверхности химических соединений с высокими антифрикционными свойствами. В ряде случаев это сопровождается образованием на поверхностях трения тончайших пленок, незначительно компенсирующих их износ.

Вместе с тем недостатками указанных способов являются низкая прочность и коррозионная стойкость получаемых с их помощью поверхностей трения. Кроме того, процесс образования на поверхности трения пленки связан с приработкой в эксплуатационном или близком к нему режиме, что ограничивает область применения указанных известных способов, так как позволяет применять их для целей обработки только поверхностей трения и исключительно при безразборном ремонте механизма.

Известны, кроме того, способы модифицирования и восстановления поверхностей трения с преобладающим содержанием железа (SU 1601426, 1990, RU 2035636, 1995, RU 2093719, 1997, RU 2135638, 1999), которые обеспечивают получение на поверхностях трения металлокерамического покрытия и в общей для них части предусматривают изготовление мелкодисперсного состава из природных минералов, введение изготовленного состава в органическое связующее, как правило, штатное смазочное масло, размещение смеси состава с органическим связующим в зоне трения и приработку в эксплуатационном или близком к нему режиме. В данных способах в качестве смеси мелкодисперсного состава из природных минералов с органическим связующим используют: - смесь истертого природного кварца в количестве 0,1-5,0% от массы смеси и органического связующего в количестве 95,0-99,9% от массы смеси (SU 1601426, 1990); - смесь абразивоподобного порошка со связующим, например дисперсным стеарином, причем абразивоподобный порошок содержит серпентин в количестве 51-60% от массы порошка, тальк в количестве 20-40% от массы порошка и взятые в равных долях серу, пирротин, энстатит и фаялит в общей сложности в количестве 8-10% от массы порошка (RU 2035636, 1995); - смесь абразивоподобного минерального порошка с дисперсностью 4-10 мкм, например в количестве 2% от массы смеси, и связующего, например в количестве 98% от массы смеси, причем указанный абразивоподобный минеральный порошок содержит хризотил в количестве 20-40% от массы порошка, каолинит в количестве 40-60% от массы порошка, оксид лантана в количестве 2-4% от массы порошка, оксид иттрия в количестве 2-4% от массы порошка, оксид алюминия в количестве 2-8% от массы порошка и оксид железа в количестве 6-7% от массы порошка (RU 2093719, 1997); - смесь мелкодисперсного ремонтно-восстановительного состава, содержащего 50-80% от массы состава офита, 10-40% от массы состава нефрита и 1-10% от массы состава шунгита, со штатной смазкой (RU 2135638, 1999).

Как следует из описаний указанных изобретений, в процессе образования металлокерамического покрытия при эксплуатации машины под воздействием трения температура в микрообъемах поверхностей трения достигает значений, при которых происходят реакции замещения атомов магния в узлах кристаллических решеток природных минералов, входящих в применяемый мелкодисперсный состав, на атомы железа из кристаллических решеток стали или сплава из железа, из которых изготовлены поверхности трения. При этом образуются новые гетероатомные кристаллы с более протяженными пространственными структурами, что способствует образованию металлокерамического покрытия, компенсирующего предшествующий износ поверхностей трения. Образованное металлокерамическое покрытие обладает низким коэффициентом трения, высокими износостойкостью и коррозионной стойкостью.

Однако полученные с помощью указанных известных способов металлокерамические покрытия обладают низкой долговечностью из-за хрупкости и возможного расслаивания, а также неравномерностью толщины и неоднородностью структуры, что вызвано не контролируемым, а самопроизвольным процессом их образования на этапе приработки в эксплуатационном или близком к нему режиме, не позволяющем получать металлокерамические покрытия с заданными желаемыми параметрами. Данные металлокерамические покрытия могут быть образованы только на металлических поверхностях с преобладающим содержанием железа, и поэтому упомянутые известные способы не могут быть использованы для создания металлокерамических покрытий на поверхностях деталей, выполненных из других металлов и сплавов. Кроме того, процесс образования металлокерамического покрытия связан с приработкой в эксплуатационном или близком к нему режиме, что ограничивает область применения указанных известных способов, так как позволяет применять их для целей модифицирования и восстановления только поверхностей трения и исключительно при безразборном ремонте механизма.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату к предлагаемому изобретению следует считать способ безразборного восстановления трущихся соединений (RU 2149741, 2000, В 23 Р 6/02, С 23 С 26 / 00), согласно которому изготавливают модифицирующий трущиеся поверхности ремонтно-восстановительный состав на основе порошка с дисперсностью 10-30 мкм из природных минералов или смеси природных минералов, содержащих 40-55 мас. % аморфной двуокиси кремния, и катализаторов на основе шунгита и редкоземельных металлов в количестве 0,02-2,00% от массы ремонтно-восстановительного состава, изготавливают технологическую среду путем смешивания ремонтно-восстановительного состава в количестве 0,15-20,00% от массы технологической среды с жидким органическим связующим, например, с базовым маслом трущегося соединения, подают технологическую среду в зону трения и путем механоактивации технологической среды при эксплуатационной нагрузке формируют покрытия на поверхностях трущихся соединений, восстанавливающие их предшествующий износ.

При осуществлении способа-прототипа, как и в случае реализации описанных выше известных способов модифицирования и восстановления поверхностей трения с преобладающим содержанием железа, происходят аналогичные физико-химические процессы, в результате которых на поверхностях трения образуются металлокерамические покрытия, компенсирующие их предшествующий износ. Образованные металлокерамические покрытия обладают низким коэффициентом трения, высокими износостойкостью и коррозионной стойкостью. При этом, как следует из приведенных в описании изобретения примеров, способ-прототип, вероятно, позволяет восстанавливать трущиеся поверхности, выполненные как из черных, так и некоторых цветных металлов и сплавов, например бронзы.

Вместе с тем при осуществлении способа-прототипа процесс образования металлокерамического покрытия на этапе механоактивации технологической среды при эксплуатационной нагрузке машины или механизма носит самопроизвольный неконтролируемый характер, что не позволяет обоснованно и рационально выбирать энергетические и временные параметры режима механоактивации для обеспечения управляемости оказываемого на технологическую среду механоактивирующего энергетического воздействия. Указанное обстоятельство приводит к неравномерности толщины и неоднородности структуры формируемого металлокерамического слоя и вызывает снижение его долговечности вследствие хрупкости и возможного расслаивания, а также не позволяет получать металлокерамический слой с такими заданными желаемыми параметрами, как, например, толщина наращиваемого металлокерамического слоя, глубина его проникновения в обрабатываемую поверхность, степень структурной однородности, шероховатость и микротвердость получаемого слоя. Кроме того, использование для образования металлокерамического слоя механоактивации технологической среды при эксплуатационной нагрузке машины или механизма существенно ограничивает область применения способа-прототипа, так как позволяет применять его для целей модифицирования и восстановления только поверхностей трения и исключительно при безразборном ремонте машины или механизма.

Поэтому недостатками прототипа являются недостаточная долговечность, неравномерность толщины и неоднородность структуры получаемого металлокерамического слоя, невозможность получения металлокерамического слоя с заданными желаемыми параметрами и ограниченная область применения способа исключительно только для восстановления поверхностей трения при безразборном ремонте машины или механизма.

Целью настоящего изобретения является создание способа обработки поверхностей металлических деталей, который обеспечивает получение обладающего высокой долговечностью, равномерностью толщины и однородностью структуры металлокерамического слоя, имеющего заданные желаемые параметры, и позволяет обрабатывать как трущиеся, так и иные поверхности металлических деталей.

Поставленная цель достигается согласно изобретению тем, что предлагаемый способ обработки поверхностей металлических деталей, включающий в соответствии с прототипом изготовление мелкодисперсного модифицирующего состава на основе смеси измельченных природных минералов, изготовление технологической среды путем смешивания модифицирующего состава с жидким органическим связующим, подачу технологической среды на обрабатываемую поверхность детали, механоактивацию технологической среды, отличается от прототипа тем, что модифицирующий состав изготавливают из смеси измельченных серпентинитов, содержащей 32-45 мас.% кремния, 18-26 мас.% окиси магния, 10-14 мас.% окиси железа и 10-14 мас.% конституционной воды в связанном состоянии, подачу технологической среды на обрабатываемую поверхность производят посредством погружения детали в технологическую среду и механоактивацию технологической среды производят ультразвуковыми механическими колебаниями. При этом измельчение серпентинитов выполняют до дисперсности 0,1-10,0 мкм, изготавливают технологическую среду, содержащую 0,5-30,0 мас. % модифицирующего состава и 70,0-99,5 мас. % жидкого органического связующего, и механоактивацию технологической среды производят в течение 5-60 минут ультразвуковыми механическими колебаниями с частотой 22-24 кГц и мощностью 0,1-10,0 кВт.

Изготовление модифицирующего состава из смеси измельченных до дисперсности 0,1-10,0 мкм серпентинитов, содержащей 32-45 мас.% кремния, 18-26 мас.% окиси магния, 10-14 мас.% окиси железа и 10-14 мас.% конституционной воды в связанном состоянии, подача технологической среды, содержащей 0,5-30,0 мас.% модифицирующего состава и 70,0-99,5 мас.% жидкого органического связующего, на обрабатываемую поверхность посредством погружения детали в технологическую среду и механоактивация технологической среды ультразвуковыми механическими колебаниями позволяют обрабатывать как трущиеся, так и иные поверхности металлических деталей и обеспечивают получение на обрабатываемой поверхности обладающего высокими износостойкостью, долговечностью и коррозионной стойкостью, равномерностью толщины и однородностью структуры металлокерамического слоя.

Данное положение подтверждается следующими обстоятельствами.

При механоактивации технологической среды под действием ультразвуковых механических колебаний жидкому органическому связующему технологической среды и мелкодисперсным частицам смеси серпентинитов, составляющим входящий в технологическую среду модифицирующий состав, сообщаются колебания ультразвуковой частоты. Вследствие возникающих в технологической среде кумулятивных эффектов и ударного трения об обрабатываемую поверхность погруженной в технологическую среду металлической детали обоих компонентов технологической среды, но прежде всего частиц модифицирующего состава происходит очистка микрорельефа обрабатываемой поверхности, а также нагартовка мелкодисперсных частиц смеси серпентинитов в очищенный микрорельеф обрабатываемой поверхности. Ультразвуковые механические колебания технологической среды, ударное трение за счет происходящих кумулятивных эффектов, дальнейший размол частиц измельченных серпентинитов на обрабатываемой поверхности и очистка ее микронеровностей вызывают выделение энергии, приводящей к нагреву обрабатываемой поверхности до температур, достигающих в ее микрообъемах значений 600-1000^oС. Подобный нагрев доводит поверхностные слои металла до состояния текучести или близкого к нему. Это вызывает интенсивную диффузию частиц смеси измельченных до дисперсности 0,1-10,0 мкм серпентинитов в поверхностный слой металла.

Серпентиниты, которые отвечают общей химической формуле Mg₆(Si₄О₁₀)(OH)₈ и различаются особенностями кристаллической структуры, содержат в узлах своих кристаллических решеток, в том числе атомы магния, входящие в состав окиси магния, содержащейся в количестве 18-26% от массы смеси серпентинитов модифицирующего состава. При дисперсности частиц измельченных серпентинитов 0,1-10,0 мкм, сравнимой с размерами элементарных кристаллов, в условиях высоких температур происходят реакции замещения между атомами металла обрабатываемой поверхности, как правило железа, и атомами магния в узлах кристаллических решеток серпентинитов. При этом атомы металла обрабатываемой поверхности замещают прежде всего те атомы магния, которые расположены в узлах поверхностных слоев кристаллических решеток серпентинитов. В результате на обрабатываемой поверхности возникает выращенный металлокерамический слой, который вследствие диффузии частиц смеси измельченных серпентинитов и произошедших реакций замещения оказывается чрезвычайно прочно связанным с обрабатываемой поверхностью.

Благодаря наличию в модифицирующем составе составляющего основу смеси серпентинитов кремния в количестве 32-45 маc.% данный металлокерамический слой обладает низкими коэффициентом трения и шероховатостью, высокими микротвердостью и коррозионной стойкостью, что повышает износостойкость обработанной поверхности.

Наличие в смеси измельченных серпентинитов железа в составе сопутствующей примеси окиси железа, составляющей 10-14 маc.%, при обработке железосодержащих поверхностей способствует получению металлокерамического слоя с высокой структурной однородностью и, следовательно, высокой износостойкостью, а также образованию более прочной связи данного слоя с обработанной поверхностью.

При этом осуществление подачи технологической среды, содержащей 0,5-30,0 маc.% модифицирующего состава и 70,0-99,5 маc.% жидкого органического связующего, на обрабатываемую поверхность посредством погружения детали в технологическую среду и выполнение механоактивации технологической среды ультразвуковыми механическими колебаниями обеспечивает контакт с механоактивированной технологической средой всей площади поверхности обрабатываемой детали и воздействие ультразвуковыми механическими колебаниями, жидким органическим связующим и мелкодисперсными частицами модифицирующего состава на всю площадь ее поверхности, выделение на ней энергии и, следовательно, протекание описанных выше физико-химических процессов. Поэтому предлагаемый способ позволяет формировать металлокерамический слой не только на трущейся, а на всей поверхности обрабатываемой металлической детали и может использоваться для финишной обработки металлических деталей, предшествующей сборке машины или механизма.

Механоактивация технологической среды, содержащей 0,5-30,0 маc.% модифицирующего состава с дисперсностью 0,1-10,0 мкм и 70,0-99,5 маc.% жидкого органического связующего, с погруженной в нее обрабатываемой металлической деталью ультразвуковыми механическими колебаниями с частотой в диапазоне от 22 до 24 кГц и мощностью в диапазоне от 0,1 до 10,0 кВт в течение времени от 5 до 60 минут позволяет с учетом исходной шероховатости и микротвердости обрабатываемой поверхности выбирать необходимые дисперсность и процентное содержание в технологической среде модифицирующего состава, а также энергетические и временные параметры применяемого режима ее ультразвуковой механоактивации, которые необходимы для получения металлокерамического слоя, имеющего такие заданные желаемые параметры, как, например, толщина наращиваемого металлокерамического слоя, глубина проникновения металлокерамического слоя в обрабатываемую поверхность, степень структурной однородности, шероховатость и микротвердость получаемого слоя.

Выбор величины мощности и времени механоактивации технологической среды ультразвуковыми механическими колебаниями определяет величину энергии, сообщаемой технологической среде и поверхности обрабатываемой детали и расходуемой на осуществление физико-химических процессов, в том числе на обеспечение протекания реакций замещения между атомами металла обрабатываемой поверхности и атомами магния в узлах кристаллических решеток смеси серпентинитов модифицирующего состава. Поэтому значения мощности и времени механоактивации технологической среды ультразвуковыми механическими колебаниями совместно с дисперсностью и процентным содержанием в ней модифицирующего состава определяют толщину и однородность структуры наращиваемого на детали металлокерамического слоя, а обоснованный выбор этих значений позволяет получать указанный слой с заданными желаемыми значениями данных параметров.

Например, частота ультразвуковых механических колебаний и время механоактивации технологической среды оказывают влияние на процесс расшатывания кристаллической решетки поверхностных слоев металла обрабатываемой детали и поэтому вместе с дисперсностью и процентным содержанием модифицирующего состава в технологической среде определяют глубину диффузионного проникновения частиц измельченных серпентинитов в обрабатываемую поверхность, а, следовательно, глубину проникновения формируемого металлокерамического слоя в поверхностный слой обрабатываемой детали.

При этом увеличение дисперсности используемого модифицирующего состава приводит к росту толщины наращиваемого металлокерамического слоя, уменьшение дисперсности вызывает увеличение глубины проникновения металлокерамического слоя в поверхностный слой обрабатываемой детали, а увеличение процентного содержания модифицирующего состава в технологической среде обеспечивает увеличение обоих этих параметров получаемого металлокерамического слоя.

Кроме того, величина дисперсности частиц модифицирующего состава совместно с процентным содержанием в нем кремния определяют шероховатость и микротвердость получаемого металлокерамического слоя, а дисперсность и процентное содержание окиси железа влияют на степень его структурной однородности.

Наличие в модифицирующем составе конституционной воды в связанном состоянии в количестве 10-14 маc.% дополнительно обеспечивает выполнение функции управления процессом формирования металлокерамического слоя. Так, например, выбор дисперсности модифицирующего состава и процентного содержания в нем конституционной воды позволяет обеспечить своевременное освобождение необходимого количества связанной конституционной воды с учетом текущих значений температуры в микрообъемах поверхности обрабатываемой детали и времени ее действия и тем самым вызвать своевременное охлаждение и кристаллизацию образованного металлокерамического слоя при достижении его параметрами заданных желаемых значений. Этим обеспечивается управляемость процесса формирования металлокерамического слоя в части обеспечения его необходимых толщины, микротвердости и шероховатости, которые зависят в том числе от количества образовавшихся в результате реакций замещения связей, то есть от температуры в микрообъемах поверхности обрабатываемой детали и времени ее действия.

Указанное свидетельствует о достижении соответствующего поставленной цели изобретения технического результата благодаря наличию у предлагаемого способа приведенных выше отличительных признаков.

Приведенные выше качественное и количественное соотношения компонентов и необходимый диапазон дисперсности модифицирующего состава, количественное соотношение модифицирующего состава и жидкого органического связующего, составляющих технологическую среду, а также диапазоны энергетических и временных параметров применяемого режима механоактивации технологической среды ультразвуковыми механическими колебаниями являются наиболее предпочтительными, и при выходе за заявляемые диапазоны и соотношения декларированный выше технический результат не достигается.

Например, использование модифицирующего состава с размерами частиц свыше 10 мкм приводит к существенному снижению производительности процесса формирования металлокерамического слоя, уменьшению степени его однородности и глубины проникновения в поверхностный слой обрабатываемой металлической детали, а применение модифицирующего состава с размерами частиц, меньших 0,1 мкм, вызывает нарушение межкристаллических связей в используемых в модифицирующем составе серпентинитах, что приводит также к снижению производительности и уменьшению микротвердости и степени однородности формируемого металлокерамического слоя.

Использование технологической среды, содержащей менее 0,5 маc.% модифицирующего состава и более 99,5 маc.% жидкого органического связующего, приводит к существенному снижению производительности процесса формирования металлокерамического слоя из-за крайне малого содержания в ней частиц смеси измельченных серпентинитов, диффундирующих в поверхность обрабатываемой детали. Применение технологической среды, содержащей более 30 маc.% модифицирующего состава и менее 70 маc.% жидкого органического связующего, также вызывает снижение производительности процесса формирования металлокерамического слоя и уменьшение степени его однородности, поскольку в этом случае ухудшаются условия передачи энергии ультразвука к поверхности обрабатываемой детали через технологическую среду при ее механоактивации.

Применение модифицирующего состава из смеси измельченных серпентинитов с содержанием кремния менее 32 маc.% не обеспечивает получения металлокерамического слоя с необходимыми значениями микротвердости и коэффициента трения, а также не позволяет обеспечить высоких антикоррозионных свойств обрабатываемой поверхности. Использование модифицирующего состава с содержанием кремния в количестве, большем 45 маc.%, приводит к чрезмерной хрупкости сформированного металлокерамического слоя и ослаблению его связи с поверхностью обработанной детали.

Применение модифицирующего состава из смеси измельченных серпентинитов с содержанием окиси магния, меньшем 18 маc.%, приводит к заметному снижению количества происходящих реакций замещения между атомами металла обрабатываемой поверхности и атомами магния в узлах кристаллических решеток серпентинитов, что вызывает снижение прочности связи сформированного металлокерамического слоя с поверхностью обработанной детали. При содержании окиси магния в модифицирующем составе более 26 маc.% снижаются микротвердость, однородность структуры и износостойкость сформированного металлокерамического слоя.

В случае содержания окиси железа в модифицирующем составе из смеси измельченных серпентинитов менее 10 маc.% не удается получить металлокерамический слой с требуемой однородностью структуры, а при содержании окиси железа свыше 14 маc.% ухудшаются антикоррозионные свойства, шероховатость и микротвердость полученного слоя.

Применение модифицирующего состава из смеси измельченных серпентинитов с содержанием конституционной воды в связанном состоянии, большем 14 маc.%, в процессе формирования металлокерамического слоя может привести к преждевременному ее освобождению, которое приведет к преждевременной кристаллизации формируемого металлокерамического слоя. Данное обстоятельство, с одной стороны, в случае завершения при этом процесса механоактивации не позволяет получать металлокерамический слой необходимой толщины, микротвердости и шероховатости, а, с другой стороны, при продолжении процесса механоактивации приводит к структурной неоднородности сформированного металлокерамического слоя, снижающей его долговечность из-за хрупкости и возможного расслаивания. Использование модифицирующего состава при содержании конституционной воды в связанном состоянии менее 10 маc.% также нецелесообразно, поскольку в таких условиях ее преждевременного освобождения не происходит, но существенно усложняются технологические операции по усушке изготавливаемого модифицирующего состава.

Для обеспечения приемлемых временных затрат на обработку поверхности детали, составляющих 5-60 минут, при мощности ультразвукового механического воздействия менее 0,1 кВт выделяемой энергии оказывается недостаточно для требуемого уровня механоактивации технологической среды и необходимого нагрева поверхности обрабатываемой детали, в результате чего существенно снижается производительность процесса обработки. Применение ультразвукового механического воздействия с мощностью, превышающей 10 кВт, не вызывает заметного повышения производительности технологического процесса, но приводит к существенному усложнению реализующих предлагаемый способ технических средств, прежде всего применяемых ультразвукового генератора и магнитостриктера. Выбор частоты ультразвукового механического воздействия в диапазоне 22-24 кГц также является наиболее предпочтительным, так как воздействие при частотах меньших значений не обеспечивает необходимой глубины диффузионного проникновения частиц измельченных серпентинитов модифицирующего состава в поверхностный слой обрабатываемой детали и поэтому не позволяет получить необходимой глубины проникновения сформированного металлокерамического слоя в поверхностный слой детали, а также его прочной связи с обработанной поверхностью. Использование механического воздействия при частотах, больших 24 кГц, не вызывает заметного повышения интенсивности диффузионных процессов, но также приводит к существенному усложнению реализующих предлагаемый способ технических средств, прежде всего применяемых ультразвукового генератора и магнитостриктера.

Осуществление предлагаемого способа обработки поверхностей металлических деталей реализуется следующим образом.

Первоначально изготавливают мелкодисперсный модифицирующий состав из смеси измельченных серпентинитов, содержащей 32-45 маc.% кремния, 18-26 маc. % окиси магния, 10-14 маc.% окиси железа и 10-14 маc.% конституционной воды в связанном состоянии и имеющей дисперсность 0,1-10,0 мкм, путем выполнения следующих операций: - раздельное дробление и размол серпентинитов до требуемой дисперсности, которые производятся с использованием существующих измельчающих агрегатов; - классификация, предусматривающая отбор измельченных серпентинитов по размерам, плотности и массе частиц путем сепарации;
- тонкая очистка от примесей и сопутствующих, а также обогащение;
- перемешивание измельченных серпентинитов для получения смеси;
- усушка смеси измельченных серпентинитов для уменьшения содержания воды.

Затем изготавливают технологическую среду путем смешивания модифицирующего состава с жидким органическим связующим в количестве соответственно 0,5-30,0% и 70,0-99,5% от массы технологической среды, причем в качестве жидкого органического связующего могут использоваться горюче-смазочные материалы и поверхностно-активные вещества или их смеси.

Устанавливают в промышленной моечной ванне, например типа УЗВ-3-016/22, снабженной магнитостриктером, например, типа ПМС-15, обрабатываемую металлическую деталь с применением оснастки, конструкция которой определяется функциональным назначением, формой и размерами детали, после чего заливают в промышленную моечную ванну технологическую среду так, чтобы вся металлическая деталь или только ее подвергающаяся обработке поверхность была погружена в технологическую среду.

Подключают размещенный в промышленной моечной ванне магнитостриктер к ультразвуковому генератору, например типа УЗГ-8 или более мощному, включают ультразвуковой генератор и производят механоактивацию технологической среды в промышленной моечной ванне ультразвуковыми механическими колебаниями с частотой 22-24 кГц и мощностью 0,1-10,0 кВт в течение 5-60 минут.

Вследствие такой механоактивации технологической среды под действием ультразвуковых механических колебаний жидкому органическому связующему и мелкодисперсным частицам смеси серпентинитов, составляющим модифицирующий состав, сообщаются колебания ультразвуковой частоты. В результате возникающего вследствие кумулятивных эффектов ударного трения об обрабатываемую поверхность находящейся в технологической среде металлической детали жидкого органического связующего и частиц модифицирующего состава происходит очистка микрорельефа обрабатываемой поверхности, а также нагартовка мелкодисперсных частиц смеси серпентинитов в очищенный микрорельеф обрабатываемой поверхности. Ультразвуковые механические колебания технологической среды, ударное трение, дальнейший размол частиц измельченных серпентинитов на обрабатываемой поверхности и очистка ее микронеровностей вызывают выделение энергии, приводящей к нагреву обрабатываемой поверхности до температур, достигающих в ее микрообъемах значений 600-1000^oС. Такой нагрев доводит поверхностные слои металла до состояния текучести или близкого к нему. Это вызывает интенсивную диффузию частиц смеси измельченных серпентинитов в поверхностный слой металла. Благодаря дисперсности частиц измельченных серпентинитов, сравнимой с размерами элементарных кристаллов, в условиях высоких температур происходят реакции замещения между атомами металла обрабатываемой поверхности, как правило железа, и атомами магния в узлах кристаллических решеток серпентинитов. В результате на обрабатываемой поверхности возникает выращенный металлокерамический слой, который вследствие диффузии частиц смеси измельченных серпентинитов и произошедших реакций замещения оказывается чрезвычайно прочно связанным с обрабатываемой поверхностью.

Достигаемый технический результат и возможности применения предлагаемого способа обработки поверхностей металлических деталей иллюстрируются следующими примерами его осуществления.

Пример 1.

Технологическая среда, которая была получена путем смешивания 45 литров алифатической промывочной жидкости в качестве жидкого органического связующего и модифицирующего состава из смеси измельченных до дисперсности 0,1-10,0 мкм серпентинитов, составленной из минералов группы хризотилов и группы лизардитов и содержащей 41 мас.% кремния, 19 маc.% окиси магния, 14 мас.% окиси железа и 13 мас.% конституционной воды в связанном состоянии, была залита в промышленную ультразвуковую моечную ванну "M80i" производства фирмы "Finn Sonic", Финляндия, снабженную магнитостриктером. В технологическую среду на сетчатом поддоне, расположенном выше дна ванны, были погружены выполненные из быстрорежущей стали, легированной кобальтом, образцы сверл и фрез диаметром 20 мм. До обработки сверла обеспечивали резку металла без применения смазочно-охлаждающей жидкости при средней температуре резания 140^oС в течение времени резания до изменения угла резания и оплавления режущих кромок, равного в среднем 380 с, а фрезы - при средней температуре резания 124^oС в течение времени резания, равного в среднем 540 с. Механоактивация технологической среды производилась ультразвуковыми механическими колебаниями с частотой 24 кГц и мощностью 1,2 кВт в течение 20 минут.

После обработки при использовании модифицирующего состава в количестве 1,5 г на 1 литр жидкого органического связующего температура резания сверл и фрез при тех же условиях снизилась в среднем соответственно до 86 и 60^oС, а их время резания увеличилось в среднем соответственно до 1380 с и 3080 с.

После обработки при использовании модифицирующего состава в количестве 3 г на 1 литр жидкого органического связующего температура резания сверл и фрез при тех же условиях снизилась в среднем соответственно до 78 и 53^oС, а их время резания увеличилось в среднем соответственно до 1420 с и 3200 с.

В обоих случаях структура поверхности получаемой при резании стружки свидетельствовала об улучшении режущих свойств обработанных сверл и фрез.

Пример 2.

При условиях, приведенных в примере 1, с использованием модифицирующего состава из смеси измельченных серпентинитов, составленной из минералов группы хризотилов и группы каолинитов и содержащей 39 мас.% кремния, 22 мас.% окиси магния, 12 мас.% окиси железа и 11 мас.% конституционной воды в связанном состоянии, в количестве 3 г на 1 литр жидкого органического связующего обработке были подвергнуты выполненные из железистой бронзы втулки опорные, которые первоначально имели при отсутствии смазки рабочую температуру, равную в среднем 86^oС, и время работы до начала разрушения поверхности скольжения, равное в среднем 120 с.

После обработки при тех же условиях функционирования рабочая температура снизилась в среднем до 40^oС, а время работы до начала разрушения поверхностей скольжения увеличилось в среднем до 830 с.

Пример 3.

В сопряженной с ультразвуковым генератором моечной ванне производства Воронежского НИИПМ были обработаны защитные втулки сальниковых уплотнителей мазутного насоса, выполненные из стали Ст.45 и имеющие микротвердость 18-20 HRC и шероховатость 1,6-3,2 мкм. Обработка выполнялась при мощности ультразвукового механического воздействия 0,4 кВт и частоте 24 кГц с использованием технологической среды, которая содержала 10 литров индустриального масла И-20 в качестве жидкого органического связующего и 150 г модифицирующего состава из смеси измельченных до дисперсности 0,1-10,0 мкм серпентинитов, составленной из минералов группы хризотилов и содержащей 32 мас.% кремния, 19 мас.% окиси магния, 12 мас.% окиси железа и 14 мас.% конституционной воды в связанном состоянии.

После обработки в течение 5 минут защитные втулки приобрели микротвердость 36-38 HRC и шероховатость 0,5-0,6 мкм, а после обработки в течение 20 минут - микротвердость 43-45 HRC и шероховатость 0,2-0,3 мкм.

Пример 4.

В промышленной моечной ванне, снабженной двумя магнитостриктерами типа ПМС-15 и ультразвуковым генератором типа УЗГ-3.4 производства АООТ "Московский радиотехнический завод", в соответствии с предлагаемым способом были обработаны подшипники качения 32311 с использованием технологической среды, которая содержала смесь из 38 литров индустриального масла И-20 и 2 литров керосина в качестве жидкого органического связующего и модифицирующий состав в количестве 40 г из смеси измельченных до дисперсности 0,1-10,0 мкм серпентинитов, составленной из минералов группы актинолитов и группы каолинитов и содержащей 39 мас.% кремния, 24 мас.% окиси магния, 10 мас.% окиси железа и 14 маc.% конституционной воды в связанном состоянии. Подшипники были установлены внутренней обоймой на валу, приводимом во вращение электродвигателем с частотой вращения 100-150 об/мин, а их внешняя обойма была зафиксирована прижимным устройством, обеспечивающим необходимое статическое усилие прижима. Обработка выполнялась ультразвуковыми колебаниями мощностью 2,5 кВт и частотой 24 кГц.

После обработки в течение 30 минут люфты в подшипниках уменьшились на 40-45%, а время работы без смазки при эксплуатационной нагрузке до достижения состояния, не пригодного к эксплуатации, увеличилось в 2,7-3,0 раз. После обработки в течение 60 минут уменьшение люфтов составило 70-75%, а указанное время работы увеличилось в 6,0-6,5 раз. Кроме того, было отмечено существенное снижение шумовых вибрационных характеристик и рабочей температуры подшипников при эксплуатационной нагрузке. У подшипников, первоначально не подлежащих эксплуатации по причине значительного износа, люфты и зазоры уменьшились до значений, допустимых для эксплуатации.

Во всех приведенных в примерах случаях реакция обработанных поверхностей металлических деталей на кислоты и щелочи была отрицательной.

Описанные в примерах эксперименты проводились на базе испытательной лаборатории Заявителя.

Таким образом, предлагаемый способ обработки поверхностей металлических деталей обеспечивает получение на поверхностях деталей, выполненных как из черных, так и цветных металлов и сплавов, обладающего высокой долговечностью, равномерностью толщины и однородностью структуры металлокерамического слоя, имеющего заданные желаемые параметры, и позволяет обрабатывать как трущиеся, так и иные поверхности металлических деталей.

Формула изобретения

1. Способ обработки поверхностей металлических деталей, включающий изготовление мелкодисперсного модифицирующего состава на основе смеси измельченных природных минералов, изготовление технологической среды путем смешивания модифицирующего состава с жидким органическим связующим, подачу технологической среды на обрабатываемую поверхность детали, механоактивацию технологической среды, отличающийся тем, что модифицирующий состав изготавливают из смеси измельченных серпентинитов, содержащей 32-45 мас.% кремния, 18-26 мас.% окиси магния, 10-14 мас.% окиси железа и 10-14 мас.% конституционной воды в связанном состоянии, подачу технологической среды на обрабатываемую поверхность производят посредством погружения детали в технологическую среду и механоактивацию технологической среды производят ультразвуковыми механическими колебаниями.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что измельчение серпентинитов выполняют до дисперсности 0,1-10,0 мкм.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что изготавливают технологическую среду, содержащую 0,5-30,0 мас.% модифицирующего состава и 70,0-99,5 мас.% жидкого органического связующего.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что механоактивацию технологической среды производят в течение 5-60 мин ультразвуковыми механическими колебаниями с частотой 22-24 кГц и мощностью 0,1-10,0 кВт.

PD4A - Изменение наименования обладателя патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение

(73) Новое наименование патентообладателя:
Общество с ограниченной ответственностью «Научно-Производственное Объединение «РУСПРОМРЕМОНТ» (RU)

Адрес для переписки:
125476, Москва, а/я № 21, ООО «НПО РУСПРОМРЕМОНТ»

Извещение опубликовано: 20.07.2008        БИ: 20/2008