Способ электроискрового легирования поверхности металлических изделий

Авторы патента:

C23C26/00 - Способы покрытия, не предусмотренные в группах C23C 2/00-C23C 24/00

B23H9/04 - обработка поверхностей вращения

B23H9/00 - Обработка специальных металлических объектов или для получения специального эффекта или результата на металлических объектах (термообработка тлеющим разрядом C21D 1/38)

Владельцы патента RU 2732843:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Удмуртский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук (RU)

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам формирования покрытий на металлических материалах методами электроискрового легирования. На поверхность обрабатываемого изделия перед проведением процесса упрочнения наносят легирующее покрытие в виде пасты или краски слоем с толщиной не более 2 мм. Упрочнение проводят упрочняющим электродом в виде ролика путем обкатки его по легирующему покрытию возвратно-поступательным движением с амплитудой, обеспечивающей получение равномерного легированного слоя. Обеспечивается повышение качества покрытия за счет формирования равномерного покрытия необходимого состава и комплекса физико-механических характеристик. 9 з.п. ф-лы, 5 пр., 2 ил.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам формирования покрытий на металлических материалах методами электроискрового легирования.

Из уровня техники известен способ электроискрового легирования деталей в котором в качестве упрочняющего электрода (электрод - анода) применяют графитовые ЭГ-2, феррохромовые, металлокерамические ВК6, ВК8 электроды (Иванов Г.П. Технология электроискрового упрочнения инструментов и деталей машин. 2-е изд., исправленное и дополненное. М.: МАШГИЗ, 1963. - 304 с.). Недостатком данного способа является зависимость параметров (структура, состав, свойства) легированного слоя от материала упрочняющего электрода.

Из уровня техники известен способ нанесения износостойких покрытий на поверхность деталей из титана или титанового сплава, включающий нанесение на поверхность обрабатываемой детали слоя порошкообразного графита фрикционным намазыванием и последующее проведение электроискрового легирования (Бойцов А.Г. и др. Упрочнение поверхностей деталей комбинированными способами. М.: Машиностроение, 1991). Недостатком данного способа является получение в упрочненном слое обработанных изделий преимущественно карбидных составляющих титана без возможности легирования другими компонентами, что снижает область применения способа.

Наиболее близким по технической сущности является способ формирования износостойкого слоя на поверхности деталей из титана или титанового сплава, включающий нанесение на поверхность обрабатываемой детали слоя материала на основе углерода в виде краски или пасты с последующим проведением процесса электроискрового легирования (Патент РФ №2621750, 07.06.2017). Недостатком прототипа является использование в качестве упрочняемого материала титана и сплавов на его основе, что сужает область применения способа. Также в качестве легирующего покрытия способ предусматривает предварительное нанесение материалов на основе углерода, что не позволяет формировать в материале бориды, силициды, интерметаллиды и другие составляющие, обеспечивающие получение комплекса улучшенных эксплуатационных характеристик обработанного материала.

Все это снижает универсальность и область применения способа.

Предлагаемый способ является более универсальным по отношению к прототипу. Повышение универсальности способа выражается в применении легирующих покрытий различного состава (металлические, смеси металлических и неметаллических компонентов, ферросплавы), которые в ходе электроискрового легирования взаимодействуют между упрочняющим электродом и обрабатываемой поверхностью детали, а также между собой в случае применения смесевых составов, формируя легированный слой, состав которого можно регулировать в зависимость от материала легирующего покрытия и упрочняющего электрода, обеспечивая получение требуемого комплекса эксплуатационных характеристик обработанного материала. Использование роликового упрочняющего электрода и его обкатку по легирующему покрытию позволяет автоматизировать процесс обработки, а регулируя толщину легирующего покрытия, применять оптимальные режимы процесса и составы покрытий для легирования поверхности. Также настоящий способ, наряду с упрочнением титана и материалов на его основе, может быть реализован для электроискрового легирования поверхности металлических изделий из железоуглеродистых сплавов.

Способ осуществляется следующим образом.

На поверхность изделия перед обработкой предварительно наносят слой легирующего покрытия в виде краски или пасты толщиной не более 2 мм, которое представляет собой смесь порошкообразных компонентов с клеевым связующим, обеспечивающим адгезию покрытия с поверхностью обрабатываемого материала. Краска содержит по сравнению с пастой большее количество клеевого связующего и позволяет наносить легирующее покрытие более тонким слоем. Минимальная толщина слоя легирующего покрытия определяется размером его порошкообразных компонентов. Толщина покрытия свыше 2 мм не позволяет получить качественный легированный слой, поскольку в процессе обработки искровой разряд не всегда пробивает покрытие, что делает упрочненный слой неоднородным по составу и высоте. Для достижения требуемого технического результата способ допускает применение в качестве порошкообразной составляющей легирующих покрытий металлических, ферросплавных, бор-, углерод- и кремнийсодержащих материалов, а также их смесей в различных сочетаниях. Использование легирующих покрытий на основе металлов и ферросплавов позволяет дополнительно, наряду с карбидными и нитридными составляющими, легировать поверхность интерметаллидами, образующимися в ходе обработки. Применение бор-, углерод- и кремнийсодержащих покрытий обеспечивает формирование боридов, карбидов и силицидов. Использование смеси металлических и ферросплавных порошков с бор-, углерод- и кремнийсодержащими материалами позволяет дополнительно в ходе обработки проводить самораспространяющийся высокотемпературный синтез, инициируемый искровым разрядом, что обеспечивает дополнительное легирование поверхности металлических материалов боридными, карбидными, силицидными составляющими. Также в ходе синтеза выделяется энергия, что позволяет компенсировать тепловые потери и обеспечить прочную адгезию легированного слоя к основному (упрочняемому) металлическому материалу.

Для формирования в легированном слое карбидов способ предусматривает использование упрочняющего электрода (электрод - анода) из материалов на основе графита. Применение упрочняющего электрода из металлических материалов, например из меди, титана, железоуглеродистых сплавов, позволяет получать в легированном слое интерметаллиды. Для получения легированного слоя, содержащего карбиды вольфрама, способ допускает использовать в качестве упрочняющего электрода металлокерамические материалы.

После нанесения на поверхность обрабатываемого материала легирующих покрытий проводят процесс электроискрового легирования. На фиг. 1 показана схема реализации способа: упрочняющий электрод - 1, выполненный в виде ролика обкатывают по легирующему покрытию - 2, предварительно нанесенному на поверхность обрабатываемого изделия - 3. Под роликом понимается цилиндрическое тело, вращающееся на валу, который проходит через его центр. Для повышения плотности энергии электроискрового разряда в зоне контакта упрочняющего электрода и легирующего покрытия в ходе обработки, способ допускает изготавливать ролики, имеющие контактную поверхность различной конфигурации. На фиг. 2 представлены несколько возможных вариантов профиля поверхности упрочняющего электрода: эллиптическая - 4, коническая - 5, трапециевидная - 6. Применение обкатки позволяет обеспечить локальный контакт электрода с упрочняемым материалом через легирующее покрытие без разрушения (отслаивания) последнего, что способствует получению равномерного легированного слоя на поверхности металлического материала. Для предотвращения залипания упрочняющего электрода к поверхности обрабатываемого материала способ допускает приложение вибрационного воздействия на ролик. Приложение вибрации допускается осуществлять любыми доступными способами - механическим (через эксцентриковый механизм), электромагнитным (при помощи электрической катушки) и др. Для формирования более однородного по структуре и составу легированного слоя способ предусматривает обкатку упрочняющего электрода по легирующему покрытию возвратно-поступательными движениями с различной амплитудой. Амплитуда подбирается опытным путем для конкретного состава легирующего покрытия и упрочняющего электрода с целью получения более качественного легированного слоя на поверхности металлических материалов. Способ может быть реализован для легирования поверхности токопроводящих материалов на основе металлов и сплавов.

Примеры конкретного исполнения

1. В качестве легирующего покрытия применяли элементарный углерод (сажу), которое в виде краски наносили на поверхность образца из титанового сплава марки ВТ1-0, слоем ~0,2 мм. Применяемый упрочняющий электрод - ролик из меди. После проведения процесса электроискрового легирования обработанная поверхность содержала карбиды (TiC, TiC_0.95), карбонитриды (Ti(CN), Ti₂(CN)), нитрид (TiN) титана и медь в виде отдельных включений.

2. То же, что в примере 1, только в качестве легирующего покрытия использовали ферробор ФБ 17 (17% В), а в качестве упрочняющего электрода - графитовый ролик. Обработанная поверхность содержала наряду с карбидами, карбонитридами и нитридом титана, также бориды титана (ТiBr₂) и железа (Fe₂B) и карбид железа (Fe₃С).

3. В качестве легирующего покрытия применяли смесь порошкообразных хрома и ферробора ФБ 17, которые в виде пасты наносили на поверхность образца из стали 45, слоем ~0,6 мм. Электроискровую обработку проводили роликом из стали 40X13. Поверхность образца после упрочнения содержала бориды хрома (CrB, CrB₂), железа (Fe₂B) и нитрид хрома (CrN).

4. То же, что в примере 3, только в качестве упрочняющего электрода использовали ролик из спеченного металлокерамического материала ВК 20. легированный слой после обработки дополнительно содержал карбиды вольфрама (WC, W₂C).

5. Легирующее покрытие, состоящее из ферротитана ФТ 70 (70% Ti) и клеевого связующего, в виде краски наносили на поверхность образца из стали 45, слоем ~0,4 мм, электроискровое легирование проводили графитовым роликом. Обработанная поверхность содержала карбиды титана, железа, карбонитриды и нитрид титана и интерметаллид Fe₂Ti.

1. Способ получения упрочненного слоя на поверхности металлических изделий методом электроискрового легирования, включающий проведение процесса упрочнения поверхности изделия упрочняющим электродом при искровом разряде, отличающийся тем, что на поверхность металлического изделия перед проведением процесса упрочнения наносят легирующее покрытие в виде пасты или краски слоем толщиной не более 2 мм, а процесс упрочнения проводят упрочняющим электродом, выполненным в виде ролика, путем обкатки его по легирующему покрытию возвратно-поступательным движением с амплитудой, обеспечивающей получение равномерного легированного слоя.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что упрочняющий электрод дополнительно подвергают вибрационному воздействию.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что поверхность ролика, контактирующая с легирующим покрытием в ходе искровой обработки, может иметь различную форму.

4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что упрочняющий электрод выполнен из материала на основе углерода.

5. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что упрочняющий электрод выполнен из металлокерамических материалов.

6. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что упрочняющий электрод выполнен из металлических материалов.

7. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что в качестве легирующего покрытия используют металлические порошки или их смеси.

8. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что в качестве легирующего покрытия используют порошки ферросплавов или их смеси.

9. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что в качестве легирующего покрытия применяют бор-, углерод- и кремнийсодержащие порошки или их смеси.

10. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что в качестве легирующего покрытия используют смеси металлических, ферросплавных, бор-, углерод- и кремнийсодержащих порошков в различных сочетаниях.

Предложенная группа изобретений относится к элементам скольжения, содержащим слои цинкового покрытия, подвергнутые химической конверсионной обработке, а более конкретно к металлическому элементу скольжения с сильным блеском без оттенка желтого или красного цвета.

Способ консервации с использованием эфирных масел // 2728051

Изобретение относится к консервации металлов и может быть использовано для защиты материалов машиностроения, приборостроения и т.п. от коррозии и повреждений микроорганизмами микроскопических грибов и бактерий.

Способ формирования пористого покрытия из наночастиц // 2727406

Способ относится к области нанотехнологии и может быть использован при изготовлении изделий, содержащих теплообменные поверхности с микро- и нанорельефом с целью интенсификации теплообмена, уменьшения гидравлического сопротивления и улучшения капиллярных свойств поверхности.

Способ предварительной обработки для нанесения покрытия или печати // 2726636

Изобретение относится к способу предварительной обработки поверхности на металлической подложке. Описан способ обработки поверхности металлической подложки перед нанесением на поверхность покрытия или печати, включающий предварительный нагрев до температуры от 40 до 300°С металлической подложки, имеющей теплопроводность от 10 до 210 Вт/мК, выбранной из листовой стали с металлическим покрытием из сплава Zn-55%Al, листовой нержавеющей стали, листовой стали с покрытием, листового алюминия и обезжиренной обычной листовой стали, и затем непрерывную обработку пламенем поверхности подложки перед нанесением покрытия или печати на поверхность подложки с применением материала покрытия или краски.

Электротехнический стальной лист с ориентированной зеренной структурой // 2726527

Изобретение относится к области металлургии, а именно к электротехническому стальному листу с ориентированной зеренной структурой, используемому в качестве материала железного сердечника трансформатора.

Способ получения жаростойких покрытий на стали // 2725510

Изобретение относится к способу получения жаростойких покрытий на стали и может быть использовано при изготовлении деталей энергетических и химических установок, обладающих повышенной жаростойкостью.

Способ упрочнения режущей части рабочих органов орудий для разработки почвогрунтов // 2722959

Изобретение относится к способу упрочнения режущей части рабочих органов орудий для разработки почвогрунтов. Используют плазму дугового разряда обратной полярности между электродом и упрочняемой поверхностью с перемещением электрода вдоль упрочняемой поверхности.

Деталь газотурбинного двигателя, содержащая защитное керамическое покрытие, способ изготовления и применения такой детали // 2722376

Изобретение относится к области защитных покрытий деталей, работающих в высокотемпературных средах, в частности, изобретение применимо в тепловых барьерах для защиты деталей авиационных газовых турбин, изготовленных из суперсплавов.

Способ снижения общих потерь в насосах различной конструкции // 2717128

Изобретение относится к изготовлению насоса для энергетических установок. На поверхности деталей насоса в виде валов и осей под уплотнения, шеек валов под подшипники скольжения и зубчатых передач формируют покрытия из упомянутых материалов, имеющие адгезионное число не менее 600, на поверхности деталей насоса в парах вал - втулка подшипника и вал - уплотнение - покрытия, имеющие число интенсивности изнашивания не более 5×10-14, на поверхностях деталей насоса, обтекаемых рабочими телами, в виде колес, проточных частей корпуса, всасывающих и нагнетающих полостей - покрытия, смачивающие свойства которых имеют коэффициент смачиваемости не более 1, на поверхностях контакта деталей насоса в виде подвижной и неподвижной деталей - покрытия с адгезионным числом не менее 500, числом интенсивности изнашивания не более 5×10-14 и коэффициентом смачиваемости не более 0,8.

Способ получения защитного покрытия на поверхности деталей из углерод-углеродных композиционных материалов и графита // 2714978

Изобретение относится к технологии нанесения жаростойких покрытий и может быть использовано для деталей, работающих в условиях износа и воздействия коррозионно-активных сред, а именно, для сопловых лопаток газотурбинных двигателей и элементов обшивки, подвергающихся воздействию высокоскоростных газовых потоков, резким сменам температуры, эрозии и коррозии при скорости набегающего потока диссоцированного воздуха в атмосфере выше 5-6 Махов.

Электрохимический способ обработки для роторов или статоров для насосов муано // 2699367

Настоящее изобретение относится к электрохимической обработке вытянутых деталей. Электрохимический способ производства вытянутых изделий включает обеспечение по меньшей мере одного электрода непрерывной замкнутой формы, образующей сквозное отверстие и включающей по меньшей мере один кулачок, наклоненный по отношению к оси относительного осевого перемещения указанного электрода замкнутой формы относительно заготовки, причем относительное вращение электрода замкнутой формы относительно заготовки вместе с указанным относительным осевым перемещением приводит к производству по меньшей мере одного непрерывного кулачка, имеющего желаемый шаг, на заготовке, а указанное отверстие имеет размер меньше, по меньшей мере в части, чем размер по крайней внешней поверхности исходной заготовки, так что относительное вращение и относительное осевое перемещение указанного электрода в пределах исходной крайней внешней поверхности производит непрерывный осевой разрез вдоль продольной оси заготовки, удаляя с части крайней внешней исходной поверхности заготовки по меньшей мере один отделимый лишний кусок, расположенный снаружи электрода замкнутой формы, образуя, тем самым, окончательную крайнюю внешнюю поверхность заготовки, которая меньше исходной крайней внешней поверхности заготовки; или обеспечение по меньшей мере одного электрода непрерывной замкнутой формы, образующей сквозное отверстие и включающей по меньшей мере один кулачок, наклоненный по отношению к оси относительного осевого перемещения указанного электрода замкнутой формы относительно заготовки с трубчатой формой, причем относительное вращение электрода замкнутой формы относительно заготовки вместе с указанным относительным осевым перемещением приводит к производству по меньшей мере одного непрерывного кулачка, имеющего желаемый шаг, на заготовке, а указанное отверстие имеет размер больше, по меньшей мере в части, чем размер по крайней внутренней поверхности исходной заготовки с трубчатой формой, так что относительное осевое перемещение указанного электрода снаружи исходной крайней внутренней поверхности заготовки производит непрерывный осевой разрез вдоль продольной оси заготовки, удаляя с части крайней внутренней исходной поверхности заготовки по меньшей мере один отделимый лишний кусок, расположенный внутри электрода замкнутой формы, образуя, тем самым, одну окончательную крайнюю внутреннюю поверхность заготовки, которая больше исходной крайней внутренней поверхности заготовки с трубчатой формой; или обеспечение по меньшей мере одного электрода непрерывной замкнутой формы, образующей сквозное отверстие и включающей по меньшей мере один кулачок, наклоненный по отношению к оси относительного осевого перемещения указанного электрода замкнутой формы относительно заготовки, причем относительное вращение электрода замкнутой формы относительно заготовки вместе с указанным относительным осевым перемещением приводит к производству по меньшей мере одного непрерывного кулачка, имеющего желаемый шаг, на заготовке, а указанное отверстие имеет размер меньше, по меньшей мере в части, чем размер по крайней внешней поверхности исходной заготовки, так что относительное вращение и относительное осевое перемещение указанного электрода в пределах исходной крайней внешней поверхности заготовки производит непрерывный осевой разрез вдоль продольной оси заготовки, удаляя изнутри части крайней внешней исходной поверхности заготовки по меньшей мере один отделимый лишний кусок, расположенный внутри электрода замкнутой формы, образуя, тем самым, трубчатую форму с одной окончательной крайней внутренней поверхностью заготовки; подачу на указанный электрод питания и электролита посредством системы подачи электролита; обеспечение прорезания электролитом заготовки так, чтобы электрод мог попасть внутрь указанного разреза.