Способ упрочнения деталей с одновременным нанесением покрытия
Владельцы патента RU 2399696:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Самарский государственный университет путей сообщения" (СамГУПС) (RU)
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при упрочняющей обработке с одновременным нанесением композиционных покрытий на рабочие поверхности деталей узлов трения. Проводят предварительную подготовку поверхности вращающимся инструментом. В зону контакта обрабатываемой детали с вращающимся инструментом подают жидкость, образующую материал покрытия. Образование покрытия осуществляют взаимодействием компонентов жидкости и силового действия щетки с мягким ворсом, находящейся в постоянном контакте с обрабатываемой поверхностью. Прижатие щетки к обрабатываемой поверхности осуществляют с усилием 450-550 Н. Жидкость, образующая материал покрытия, содержит следующее соотношение компонентов, мас.%: хлорид меди 3,0-4,5, сернокислая медь 3,5-4,5, ацетамид 4-6, мочевина 0,2-0,5, дисульфид молибдена 1,0-1,5, алюминиевая пудра 4,5-5, вода дистиллированная 8-10, глицерин химически чистый - остальное. Обработку детали проводят при вращении детали со скоростью более 60-80 м/мин. Повышается качество покрытия, а именно износостойкость за счет улучшения сцепляемости покрытия с деталью и микротвердость при наличии алюминия на поверхности медесодержащего покрытия. 2 ил., 1 табл.
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при упрочняющей обработке с одновременным нанесением композиционных покрытий на рабочие поверхности деталей узлов трения.
Известен способ нанесения защитных покрытий на рабочие поверхности деталей, при котором покрытие наносится из жидкости, содержащей соли наносимого металла, растворенные в глицерине, и другие компоненты, а в качестве деформирующего инструмента используется металлическая щетка, устанавливаемая с изменяющимся эксцентриситетом (патент РФ №2053106, МПК В24В 39/00, опубл. 27.01.1996, БИ №3).
Недостатком данного способа являются медленное осаждение наносимого металла, низкая прочность сцепления с основой.
Известен способ нанесения металлических покрытий после предварительного упрочнения из жидкости, содержащей соли наносимого металла (меди), растворенного в глицерине, и другие компоненты для облегчения процесса осаждения. В качестве инструмента, образующего покрытия, используется металлическая щетка (патент РФ №2308542, МПК С23С 26/00, опубл. 20.10.2007 г.).
Недостатком данного способа является необходимость проведения дополнительных операций - смачивание в большом количестве дисульфида, молибдена перед вводом в состав, что затрудняет данный процесс.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение качества покрытий, в том числе и износостойкости, за счет улучшения сцепляемости покрытия с основным материалом (деталью) и повышение микротвердости при насыщении рабочей поверхности и наличии алюминия на поверхности медесодержащего покрытия.
Технический результат достигается тем, что в способе упрочнения деталей с одновременным нанесением покрытия на рабочие поверхности стальных деталей узлов трения, включающем предварительную подготовку поверхности вращающимся инструментом, подачу в зону контакта обрабатываемой детали с вращающимся инструментом жидкости, образующей материал покрытия и содержащей хлорид меди, ацетамид, мочевину, дисульфид молибдена, воду дистиллированную и глицерин химически чистый, образование покрытия путем взаимодействия компонентов жидкости и силового действия щетки с мягким ворсом, находящейся в постоянном контакте с обрабатываемой поверхностью, и прижатие щетки к обрабатываемой поверхности с усилием 450-550 Н, в жидкость дополнительно вводят алюминиевую пудру при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| хлорид меди | 3,0-4,5 |
| сернокислая медь | 3,5-4,5 |
| ацетамид | 4-6 |
| мочевина | 0,2-0,5 |
| дисульфид молибдена | 1,0-1,5 |
| алюминиевая пудра | 4,5-5 |
| вода дистиллированная | 8-10 |
| глицерин химически чистый | остальное |
причем обрабатываемую деталь вращают со скоростью 60-80 м/мин.
На фиг.1 представлены зависимости скорости осаждения покрытия от кислотности рН на стальную поверхность образцов.
На фиг.2 - исследования противозадирных свойств поверхностей с покрытиями.
Реализация способа. Технологический процесс по данному способу состоит из двух переходов. Переход «а» предусматривает предварительную подготовку поверхностей (упрочнение поверхностей, снижение исходной шероховатости, получение ювенильной поверхности). При переходе «а» формируются благоприятные остановочные напряжения сжатия. На втором переходе (переход «б») на свободное пространство подается жидкость для нанесения покрытия, содержащая соли наносимых покрытий. За время опережения происходит реакция химического взаимодействия стальной поверхности с компонентами жидкости.
Ионы солей хлорида меди (Cu+1) и сернокислой меди (Cu+2) являются сильными окислителями. В качестве восстановителя используем формальдегид Н-СОН и алюминиевую пудру Al2O3, при этом (в слабощелочной среде) протекает реакция окисления-восстановления:
2CuCl+2CuSO4+6CH2O+6KOH→4Cu+6HCOOH+2KCl+2K2SO4+3Н2↑
В ионно-молекулярной форме:
2Cu+l+2Cu+2+6CH2O+6OH-→4Cu+6HCOOH+3H2↑
Частично выделяется углекислый газ (CO2), что приводит к увеличению кислотности среды.
В химической реакции алюминиевая пудра не принимает участие. В процессе нанесения покрытия частицы алюминиевого порошка «вбиваются» ворсом щетки в обрабатываемую поверхность, за счет чего улучшается качество поверхности и облегчается процесс нанесения покрытия.
С целью снятия непрореагировавших частиц щеткой готовится поверхность для повторного нанесения покрытия. Давление в зоне контакта оптимизировано в зависимости от свойств материала обрабатываемой поверхности, требуемой толщины покрытия.
Образование покрытия происходит путем взаимодействия компонентов жидкости и силового воздействия инструментов. Предварительно образуется некоторый диффузионный слой «железо-алюминий-медь», плавно переходящий в покрытие, что обеспечивает надежное сцепление покрытия с основой. Порошок дисульфида молибдена и алюминиевая пудра равномерно располагаются в покрытии и служат для снижения сил трения при обработке и последующей эксплуатации детали.
Усилие прижатия очищающей щетки находится в пределах 450-550 Н, которое зависит от свойств основного материала детали, ее конструктивных особенностей. Скорость вращения детали 60-80 м/мин. Время обработки единицы поверхности 15-20 сек.
Заявленное техническое решение подтверждено результатами исследований, указывающих на его эффективность - на изменение скорости осаждения при добавлении нового компонента, увеличение антифрикционных свойств поверхностей, улучшение качественных показателей покрытия, снижение себестоимости.
При сравнительных испытаниях деталей с покрытием оценивались физико-механические и триботехнические свойства покрытий, проводились исследования по определению скорости осаждения покрытий в зависимости от уровня кислотности состава (рН).
При испытаниях композиционные покрытия имели состав в соответствии с таблицей 1.
| Таблица 1 | ||
| Сравнение компонентов | ||
| Состав композиций | Прототип | Пример 1 |
| Хлорид меди | 3,5-4,5 | 3,5-4,5 |
| Сернокислая медь | 3,5-4,5 | 3,5-4,5 |
| Ацетамид | 4-6 | 4-6 |
| Мочевина | 0,2-0,5 | 0,2-0,5 |
| Стеариновая кислота | 0,2-1,0 | - |
| Дисульфид молибдена | 3,5-5 | 1,0-1,5 |
| Алюминиевая пудра | - | 4,5-5,0 |
| Вода дистиллированная | 8,0…10 | 8-10 |
| Глицерин | остальное | остальное |
Предлагаемый состав готовится следующим образом. Соли хлорида меди и сернокислой меди в предложенных составах растворяются в дистиллированной воде, затем поочередно добавляются компоненты ацетамид, мочевина с постоянным перемешиванием, для улучшения растворяемости допускается подогрев состава до температуры 50-80°С. Дисульфид молибдена, после смачивания раствором спиртов, добавляется в готовый состав (алюминиевая пудра из-за малой дисперсности не требует предварительного смачивания). Для облегчения процесса смешивания глицерин также подогревается до температуры 40°С. Жидкость для нанесения покрытия является дополнительным смазывающим слоем, что снижает напряженность процесса обработки и обеспечивает простоту реализации способа.
Микротвердость покрытия определяли по стандартной методике на микротвердомере ПМТ-3. Противозадирную стойкость и противоизносные свойства - на торцевом трибометре ТТ-1 в масляной ванне (И-20) при давлениях ≈ 8.0 МПа и средней скорости перемещения верхнего образца 4,5-5,0 м/мин.
Испытания показали, что покрытие предлагаемого состава по сравнению с прототипом повышает износостойкость обработанных поверхностей на 30-40%. На фиг.2 представлены графики зависимости изменения коэффициента трения от времени наработки (торцевой трибометр, статическая нагрузка Рст=3800 Н, скорость 4 м/мин), где 1 - исходный (шлифованный без покрытия), 2 - поверхность с медным покрытием; 3 - поверхность с покрытием с добавлением большого количества дисульфида молибдена (прототип), 4 - поверхность с предлагаемым составом.
Зависимости скорости осаждения покрытия представлены на фиг.1, где 1 - состав для медного покрытия, 2 - состав с большим количеством дисульфида молибдена (прототип), 3 - предлагаемый состав.
Из графика видно, что предлагаемый состав имеет более высокую скорость осаждения за счет увеличения кислотности состава.
Обрабатываемую деталь устанавливают и закрепляют в приспособлении или патроне токарного станка, базирование детали проводили по внутренней поверхности. Инструменты (очищающая и упрочняющая щетка) подпружинены и устанавливаются в резцедержателе станка (не показано). После предварительной обработки на внутреннюю поверхность обрабатываемой детали подается жидкость. При проведении эксперимента время обработки составляло 30 сек.
Оба технологических перехода проходят без остановки вращения детали.
Предлагаемый способ позволяет снизить количество дорогостоящих компонентов (дисульфид молибдена) и стоимость покрытия (экономический эффект 1688 рублей на единицу состава), повысить качество покрытия за счет компонента алюминия и сократить скорость нанесения покрытия.
Способ упрочнения деталей с одновременным нанесением покрытия на рабочие поверхности стальных деталей узлов трения, включающий предварительную подготовку поверхности вращающимся инструментом, подачу в зону контакта обрабатываемой детали с вращающимся инструментом жидкости, образующей материал покрытия и содержащей хлорид меди, ацетамид, мочевину, дисульфид молибдена, воду дистиллированную и глицерин химически чистый, образование покрытия путем взаимодействия компонентов жидкости и силового действия щетки с мягким ворсом, находящейся в постоянном контакте с обрабатываемой поверхностью, и прижатие щетки к обрабатываемой поверхности с усилием 450-550 Н, отличающийся тем, что в жидкость дополнительно вводят алюминиевую пудру при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Хлорид меди | 3,0-4,5 |
| Серно-кислая медь | 3,5-4,5 |
| Ацетамид | 4-6 |
| Мочевина | 0,2-0,5 |
| Дисульфид молибдена | 1,0-1,5 |
| Алюминиевая пудра | 4,5-5 |
| Вода дистиллированная | 8-10 |
| Глицерин химически чистый | Остальное |
причем обрабатываемую деталь вращают со скоростью более 60-80 м/мин.
