СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТИ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ
STRENGTHENING METHOD OF WORKING SURFACE OF STEEL PARTS

Изобретение относится к физико-химическим процессам, направленным на повышение технико-экономических свойств различных деталей, например, типа тел вращения и может быть использовано, предпочтительно, для упрочнения наружной поверхности деталей железнодорожного подвижного состава.
Известен способ упрочнения стальной детали путем ее нагрева от высоковольтного источника постоянного электрического тока, заключающийся в том, что на обрабатываемую поверхность детали цилиндрической формы воздействуют с помощью электрода стабилизированным высоковольтным электрическим дуговым разрядом через текучее вещество в качестве технологической диэлектрической среды в дистанционном зазоре между электродом и изделием. При этом деталь подключают к клемме "минус", а графитовый электрод - к клемме "плюс" высоковольтного источника постоянного тока; деталь и электрод погружают в ванну в технологический диэлектрический раствор солей высших жирных кислот, устанавливают дистанционный зазор между обрабатываемой поверхностью детали и электродом в пределах 0,08-0,20 мм, поддерживают ток дуги в пределах 20-50 А, вращают деталь около неподвижного или также вращающегося электрода (см., например, описание изобретения к а.с. СССР №1540286, кл. C21D 1/09 от 20.01.1987).
Недостатками такого способа являются ограничение обрабатываемых деталей только цилиндрической формой и малыми размерами, необходимость наличия ванны с раствором солей высших жирных кислот, большая сложность выдерживания очень малых дистанционных зазоров между деталью и электродом, соизмеримых с величиной электроэррозии разрядного торца электрода, большой расход электроэнергии из-за необходимости нагрева детали и сопутствующего нагрева большого объема раствора солей высших жирных кислот и стенок ванны, дороговизна обработки, вредность процесса обработки для персонала и экологии из-за выделения паров раствора и его сброса в качестве отходов производства, повышенная хрупкость поверхностного слоя детали из-за его сплошности.
Наиболее близким из известных по своей технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа способ упрочнения рабочей поверхности стальных деталей, при котором на поверхностный слой детали, установленной с возможностью вращения, воздействуют импульсным дуговым разрядом через активную технологическую среду между обрабатываемой поверхностью детали и электродом, подключенным к высоковольтному источнику постоянного тока (см., например, описание изобретения к а.с. СССР №1759900, кл. C21D 1/09, 07.09.1992).
Недостатками такого способа являются малая глубина изменения физической структуры поверхностного слоя изделия, большой расход электроэнергии, необходимость в герметичной камере, невозможность обработки изделий сложной формы и больших размеров и невыполнимость локальной обработки изделий.
Технической задачей заявляемого изобретения является повышение технологических и эксплуатационных свойств материала детали: пластичности, прочности, твердости, износоустойчивости, а также повышение технологичности процесса обработки детали при максимальном его упрощении и экологической безопасности.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе упрочнения рабочей поверхности стальных деталей, при котором на поверхностный слой детали, установленной с возможностью вращения, воздействуют импульсным дуговым разрядом через активную технологическую среду между обрабатываемой поверхностью детали и электродом, подключенным к высоковольтному источнику постоянного тока, на поверхностный слой детали воздействуют дуговым разрядом от высоковольтного источника постоянного тока под отрицательным потенциалом 6-10 кВ с частотой 40-120 Гц, который направляют под углом 90° от электрода к обрабатываемой поверхности детали через струю воды диаметром 1-3 мм и дистанционным зазором между электродом и обрабатываемой поверхностью детали 2-10 мм, и создают в поверхностном слое детали конусообразные проплавления мелкозернистой структуры глубиной до 300 мкм и диаметром основания 0,2-0,5 мм, после чего осуществляют механическую обработку поверхности детали.
Конусообразные проплавления с мелкозернистой структурой могут быть созданы за 1-3 прохода при скорости равномерного перемещения детали 5-20 мм/с относительно электрода и струей воды, вытекающей со скоростью 0,1-20 м/с из торца электрода.
На чертеже изображена схема устройства для осуществления предложенного способа.
Обрабатываемую деталь 1, например вал тормозной рычажной передачи, закрепляют в патроне 2 обычного токарного станка, создавая на ее рабочей поверхности область 3 высокого разряда, формируемого в процессе обработки между высоковольтным электродом 4, в качестве которого использован катод, и обрабатываемой деталью 1, при этом катод пропущен через изолятор 5 высоковольтного электрода, имеющий трубку 6 подачи жидкости.
Устройство смонтировано на суппорте 7 станка и закреплено с возможностью вращения обрабатываемой детали 1 в переднем конусе 8 и конусе 9 задней бабки токарного станка.
Предложенный способ осуществляют следующим образом.
На обрабатываемую поверхность детали 1 воздействуют импульсным электрическим дуговым разрядом от высоковольтного источника постоянного тока. Высоковольтный импульсный электрический дуговой разряд, возникающий с частотой 40-120 Гц вдоль струи активной технологической диэлектрической среды (воды) в дистанционном зазоре между катодом (электродом 4) и обрабатываемой поверхностью детали 1, длящийся в течение 10-2500 мс и выделяющий энергию 5-60 Дж, моментально разрушает как струю, так и себя. Струя через 6-25 мс вновь самовозобновляется и тут же вдоль нее происходит новый импульсный высоковольтный дуговой электрический разряд.
Воздействие на обрабатываемую поверхность детали 1 единичным периодическим электрическим дуговым разрядом от высоковольтного источника постоянного тока заявляемым способом позволяет, например, за 1000 мс при скорости 10°C/с разогреть точечный микроучасток поверхностного слоя детали 1 до температуры 1400-1450°C в зоне разряда и проплавить в поверхностном слое детали 1 на глубину от 5 до 300 мкм «точечный столбик» - микроячейку столбчатой формы с диаметром основания 0,2-0,5 мм. В результате высокоскоростного температурного расширения возникают громадные ударные силовые волны с давлением 10 Па, обеспечивающие пластическое деформационное упрочнение металла поверхностного слоя детали 1, а при возникновении резонансных явлений и более глубоких (до 5 мм) слоев металла. При этом происходят перемешивание расплава, его поверхностное насыщение кислородом, углеродом и азотом из окружающей ионизированной среды, в том числе за счет диализа воды, и последующее моментальное твердение за счет интенсивного теплообмена с холодной массой детали 1 (со скоростью снижения температуры 10°C/с). В сталях перлитного класса и особенно в титановых сплавах в результате скоростной перекристаллизации в «точечном столбике» образуются высокопрочные с высоким коэффициентом твердости зачаточные микроскопических размеров 1-7 мкм столбчатые кристаллы и дендритные кристаллиты с включением оксидов, карбидов и нитридов, что повышает прочность, твердость, износоустойчивость материала детали 1.
Наружная торцевая поверхность затвердевшего «точечного столбика» представляет собой усадочное углубление-кратер конусообразной формы, имеющий, в зависимости от величины дистанционного зазора (2-10 мм) между катодом и деталью 1, диаметр у основания 0,2-0,5 мм, глубину от 5 до 300 мкм. При этом чем больше дистанционный зазор, тем больше диаметр основания конусообразного кратера и тем меньше глубина измененной структуры - «точечного столбика» в поверхностном слое детали 1. При неизменяемых режимах обработки все кратеры имеют одинаковый диаметр.
Таким образом, за 1-3 прохода (т.е. полных оборота детали 1 вокруг своей оси при ее вращении в переднем конусе 8 и конусе 9 задней бабки токарного станка) создают в поверхностном слое детали 1 равномерно распределенную множественно-микроячеистую топологическую структурную решетку типа «кольчуги», имеющей твердость поверхностного слоя большей, чем при объемной закалке детали. В результате образования в массиве металла поверхностного слоя детали 1 множества перпендикулярных к обрабатываемой поверхности отдельных и/или соприкасающихся и/или перекрывающих друг друга высокопрочных, перекристаллизованных микрокристаллических «точечных столбиков» он стал обладать наряду с высокой прочностью и твердостью еще и возросшей пластичностью, которая наблюдается и в более глубоком поверхностном слое детали 1. Обработка практически не ухудшает морфологические качества поверхности и не изменяет конфигурацию и размеры детали 1.
Далее осуществляют механическую обработку поверхности детали 1, в качестве которой используют обкатку или шлифовку. Полученные в результате заявленной обработки физическая структура поверхностного слоя изделия и физико-механические характеристики сохраняются в течение многих лет, повышая тем самым срок эксплуатации детали.
Заявляемый способ характерен локальной направленностью, что также делает его во многих случаях более предпочтительным, эффективным и экономичным по сравнению с известными способами, и может осуществляться без использования ванн и герметичных камер.
Заявляемый способ обеспечивает возможность обработки, как отдельных деталей, так и в сборке с другими изделиями, в любом положении их в пространстве, в любых условиях, любой длины (например, от металлообрабатывающих резцов до рельсов, уложенных на железнодорожных путях), любой формы и конфигурации (например, от железнодорожных колес до турбинных лопаток и крыла самолета). Обработке могут быть подвергнуты как наружные, так и внутренние поверхности детали. Обработка может быть одним из последних и, даже, последним звеном в технологической цепи изготовления изделия, в том числе в автоматизированном цикле серийного производства.
Другой характерной особенностью заявляемого является высокая эффективность сочетания электродуговой обработки с последующей за ней операцией механической обработки поверхности детали (поверхностной пластической деформацией). Микротвердость предварительно обработанного электрическими дуговыми разрядами участка поверхности детали дополнительно увеличивается на 28%.
На опытной механизированной установке была проведена обработка ряда изделий (деталей) с использованием различных заявленных режимов из следующих марок сталей: Ст 20, Ст 45, М 76, У 8, 12Х18Н10Т, ЗОХЗНМАФ, 45ХН2МФА и титановых сплавов: ВТЗ-1, ОТ4-1, ВТ6 и ВТ18У. В процессе обработки изделий на катод (электрод 4) подавали постоянный электрический отрицательный потенциал 2-10 кВ. Дуговой разряд направляли под углом 90° от электрода к обрабатываемой поверхности детали через струю воды диаметром 1-3 мм, вытекающей со скоростью 0,1-20 м/с из торца электрода. Частота периодических разрядов составляла 40-120 Гц. Плотность разрядов при одном проходе составляла 6-25 на 1 мм поверхности детали. Дистанционные зазоры между обрабатываемой поверхностью изделия и электродом устанавливали равными 2, 3, 4, 6, 8, 10 мм. Линейные скорости равномерного поступательного или вращательного перемещения катода или детали относительно друг друга устанавливали равными 5, 10, 15, 20 мм/с.
Обработка заявленным способом образцов из сталей аустенитного класса и из таких металлов, как алюминий, медь, цинк увеличивает их пластические свойства: относительное удлинение на 22%, относительное сужение на 61%, что обеспечивает упрощение и удешевление последующих обработок образцов давлением, резанием, шлифовкой и протяжкой и исключает хрупкость и образование трещин.
Далее приведен пример конкретного осуществления заявленного способа.
Было осуществлено упрочнение рабочей поверхности детали из сплава ВТ6. На катод (электрод 4) был подан отрицательный потенциал 8 кВ. Дуговой разряд был направлен с частотой 85 Гц под углом 90° от электрода к обрабатываемой поверхности детали через струю воды диаметром 2 мм, вытекающей со скоростью 11 м/с из торца электрода. Дистанционный зазор между обрабатываемой поверхностью изделия и электродом установили равным 4 мм. Линейную скорость равномерного вращательного перемещения детали относительно катода установили 10 мм/с. Плотность разрядов при одном проходе составила 10 на 1 мм поверхности детали. В результате в поверхностном слое детали была создана равномерно распределенная микроячеистая топологическая структура: конусообразные проплавления мелкозернистой структуры глубиной 200 мкм и диаметром основания 3,5 мм.
После приведенной выше обработки поверхности образца из титанового сплава ВТ6 электрическими дуговыми разрядами была проведена обкатка его поверхности стальным закаленным роликом диаметром 70 мм и профильным радиусом 5 мм при нагрузке 200 кг на токарно-винторезном станке с однороликовым прижимным обкатником при частоте вращения образца 180 об/мин и подаче при обкатывании 0,144 мм/об. Образец подвергался обкатке в два прохода.
В результате обработки заявляемым способом получили деталь, обладающую повышенной твердостью и прочностью поверхностного слоя, а также увеличилась пластичность слоев металла.
Таким образом, использование заявленного способа упрочнения поверхности стальных деталей позволяет получить высококачественные детали с повышенной износостойкостью, надежностью и долговечностью в условиях воздействия маскимальных и циклических нагрузок, в том числе ударных и знакопеременных в сочетании с трением, при этом, в частности, исключаются заедания в парах трения и резьбовых соединениях и, как следствие, существенно увеличивается ресурс работы деталей.