Способ поверхностного легирования

Изобретение относится к области обработки поверхности твердых тел посредством внедрения инородных веществ для улучшения их физических и химических параметров. Способ заключается в том, что легирование производится сочетанием обкатывания поверхности шариком, твердость которого выше твердости обрабатываемой поверхности, с одновременным локальным внесением в приконтактную область легирующего вещества. Концентрированная локальная деформация шариком обеспечивает ускоренное внедрение легирующего вещества в приповерхностный слой. Процесс не требует специальных условий и может производиться на объектах разнообразных форм и размеров в полевой обстановке, в том числе и под водой.

 

Предлагаемое изобретение относится к области обработки поверхности твердых тел, которая широко используется во многих технологических направлениях для получения изделий с заданными свойствами путем модифицирования структуры и состава приповерхностного слоя посредством деформации и внедрения инородных веществ определенной природы. За счет этого могут быть регулируемым образом изменены твердость, механическая прочность, антикоррозионная стойкость, электропроводность, показатель преломления и т.д. Среди этих методик поверхностной обработки в практике наиболее распространены поверхностное легирование и деформационная обработка поверхности металлических изделий с помощью шариковой и роликовой обкатки.

Известны способы, применяемые для повышения механической и антикоррозионной прочности стальных изделий путем их поверхностного легирования углеродом (цементация), азотом (азотирование), смесью углерода и азота (цианирование), алюминием (алитирование). Общим недостатком этих способов, требующих использования стационарных цеховых условий, является необходимость проведения этих процессов при существенно повышенных температурах. (Г.П. Фетисов и др. «Материаловедение и технология материалов», М., Высш. Шк., 2000, 638 с., Приходько В.М. и др. «Металлофизические основы упрочняющих технологий», М. Машиностроение, 2003, 384 с.).

Известны способы импульсных механических, акустических, электрических воздействий на поверхности металлических изделий при комнатной температуре, приводящие к значительному увеличению глубины проникновения легирующих элементов в приповерхностные слои. Недостатком этих способов являются специальные процедуры создания указанных воздействий, требующие стационарных цеховых условий, затруднения с контролем величин воздействий на требуемом уровне, ограничения по площади и форме обрабатываемых поверхностей (Д.С. Герцрикен, Л.Н. Лариков и др. «Ускорение диффузионных процессов при многократных ударных нагрузках», Физ-хим. обработки материалов, 1979, №4, с. 154-156, Коваленко B.C. и др. Лазерное и электроэрозионное упрочнение материалов», М., Наука, 1986, 277 с.).

Известен способ легирования поверхностных слоев твердых тел (патент на изобретение RU 2060870, опубликован 27.05.1996, авторы П.М. Бологов, Н.П. Курланов),

включающий подачу легирующего компонента и осуществление деформации твердого тела. Процесс ускоренного легирования достигается в приповерхностную область за счет инициирования в ней пластической деформации. По назначению и методическому подходу этот способ ближе других к заявляемому нами, поэтому он принимается за прототип.

Недостатками данного способа являются необходимость предварительного нанесения легирующего вещества на поверхность подвергаемого деформационного легированию тела, а также необходимость обеспечения нагрева при деформировании, что требует дополнительного оборудования и усложненных подготовительных процедур.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в возможности непрерывного нанесения легирующего вещества на обрабатываемую поверхность и одновременного проведения необходимого пластического деформирования именно той области, куда нанесено легирующее вещество, для ускоренного внедрения легирующего вещества в приповерхностный слой.

Для достижения технического результата обеспечивается непрерывное нанесение жидкости с легирующим веществом на обрабатываемую поверхность, сочетающееся с одновременным пластическим деформированием приповерхностной области посредством обкатки поверхности шариком из материала, твердость которого выше твердости обрабатываемой поверхности, установленным в камере обкаточного узла, содержащей жидкость с легирующим компонентом, так что локально деформирующее приповерхностную зону обкатывающее движение шарика одновременно доставляет в приконтактную зону между шариком и обкатываемой им поверхностью легирующую жидкость.

Серьезным преимуществом заявляемого в качестве изобретения способа поверхностного легирования посредством нанесения на обрабатываемую поверхность жидкости с легирующим компонентом через выходное отверстие содержащей эту жидкость камеры, к которому регулирующей пружиной прижат обкатывающий шарик, является возможность осуществления легирования в неблагоприятных для предварительного нанесения легирующего вещества средах. Например, если необходимо провести антикоррозионное легирование поверхности стального изделия, находящегося в воде или сильно запыленной атмосфере. В этой ситуации предварительное нанесение на обрабатываемую поверхность

жидкости с легирующим веществом неизбежно приведет к изменению его морфологии и состава за счет взаимодействия с внешней средой и ухудшит результат обработки. Если же, как описано в данном изобретении, легирующий состав наносится обкатывающим шариком непосредственно в приконтактную зону между шариком и обрабатываемой поверхностью, деформационный массоперенос в приповерхностный слой производится сразу же.

В наших экспериментах показано, что шариковая обкатка поверхности с подачей в приконтактную область между твердым шариком и обрабатываемой поверхностью жидких композиций, содержащих вещества, предназначенные для легирования, позволяет внедрять эти вещества при комнатной температуре на глубины приповерхностного слоя, на несколько порядков превышающие расстояния, соответствующие диффузионному легированию.

Во всех перечисленных ниже случаях с помощью электронной и оптической микроскопии регистрировалось внедрение легирующих веществ с поверхности в приповерхностный слой.

Пример 1

На поверхность шлифованной пластины из нелегированной стали 3 была нанесена суспензия из субмикронных частиц оксида хрома в органической связке из расщепленного жира, стеарина и керосина (паста ГОИ). Затем этот участок поверхности был подвергнут обкатке шариком из подшипниковой стали ШХ15 диаметром 4 мм, прижимаемым к поверхности статической нагрузкой 2Н посредством периодического возвратно-поступательного движения с амплитудой 0,01 м и периодом 3 секунды с общей продолжительностью обкатки 30 минут. По окончании обкатки поверхность обработанной детали тщательно отмывалась от остатков органической связки тканевой салфеткой, смоченной ацетоном. Результат легирования оценивался по известной реакции восстановления меди из водного раствора медного купороса Cu₂SO₄ железом. Для этого на поверхность стали был нанесен раствор медного купороса. Через 3 минуты области поверхности, не подвергавшиеся обкатке, оказались покрытыми сплошным слоем меди, в то время как область, прошедшая обкатку, сохранила исходный вид. Это показывает, что в приповерхностный слой стали 3 в результате обкатки были внедрены вещества, предохранившие железо от окисления, т.е. придавшие этому участку поверхности антикоррозионные свойства нержавеющей стали. Шарик из подшипниковой стали ШХ15 имеет твердость выше твердости обрабатываемой поверхности.

Пример 2

В камеру обкаточного устройства, выходное отверстие которой было закрыто шариком диаметром 4 мм из твердой подшипниковой стали ШХ15, прижимаемым к отверстию изнутри камеры пружиной с регулировочным винтом, был залит насыщенный водный раствор медного купороса (сульфата меди). Шарик был прижат к поверхности подлежащей обработке пластины из стали 3 установленным на обкаточном устройстве грузом в 2 Н. Пластина при этом была закреплена на подвижном столике, обеспечивающем возвратно-поступательное движение поверхности относительно шарика с регулируемыми частотой и амплитудой. После этого участок стальной пластины был подвергнут обкатке прижимаемым к ней шариком с амплитудой возвратно-поступательных движений 2 см и частотой 1 гц в течение 30 минут. По прекращении процесса обкатки обработанный участок поверхности был изучен с помощью оптической и электронной сканирующей микроскопии. Оказалось, что обрабатываемая поверхность покрыта слоем меди. Дополнительно к этому, как показала электронная микроскопия косых срезов приповерхностного слоя, произошло внедрение меди на глубину до 10 микрон. Тем самым было осуществлено легирование приповерхностного слоя стальной детали медью безнагревным способом.

Пример 3

Пластина из нелегированной стали 3 размерами 40×20 мм подвергалась обкатке при комнатной температуре обкаточным устройством, включающим шарик из двуокиси циркония, стабилизированного оксидом иттрия, диаметром 18 мм. Твердость этого материала значительно превышает твердость любой стали. Шарик при обкатке помещался в камеру, содержавшую насыщенный водный раствор сульфата меди. Сила давления на шарик варьировалась от 30 до 100 Н. Средняя скорость возвратно-поступательного движения шарика по поверхности обрабатываемой стали варьировалась от 1 до 5 см/сек. При всех указанных выше параметрах режима обкатки на поверхности наблюдалось образование покрытия из меди. Соотношение между количеством меди, внедренным в приповерхностный слой стали, и закрепленным сверху на поверхности, зависело от скорости движения шарика и прилагаемой нагрузки. При малых скоростях движения и малых нагрузках медь высаживалась на поверхности сверху, практически не проникая в приповерхностный слой. При увеличении скорости до 3 см/сек и нагрузки на шарик до 50 Н

наблюдалось проникновение меди в сталь. Причем глубина проникновения монотонно возрастала по мере увеличения длительности обкатки, достигая при длительности 20 минут глубины 3 микрона и более.

Способ поверхностного легирования твердых тел, включающий непрерывное нанесение жидкости с легирующим компонентом на обрабатываемую поверхность и непрерывное пластическое деформирование приповерхностной области, отличающийся тем, что нанесение жидкости с легирующим компонентом и деформирование приповерхностной области осуществляют посредством обкатки поверхности шариком из материала, твердость которого выше твердости обрабатываемой поверхности, установленным в камере, содержащей жидкость с легирующим компонентом, так что локально деформирующее приповерхностную зону обкатывающее движение шарика одновременно доставляет в приконтактную зону между шариком и обкатываемой им поверхностью легирующую жидкость.