СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
METHOD OF METAL SURFACES HARDENING

Изобретение относится к технологии машиностроения и упрочняющей обработки металлов, модификации поверхности и создания на поверхности металла слоев с повышенным качеством (твердость, износостойкость, жаростойкость, коррозионная стойкость).
Металлы для повышения качества поверхности подвергают поверхностному упрочнению. Существуют /1/ большое количество методов поверхностного упрочнения: термический, химико-термический, лазерная закалка, механический, ионная имплантация и др. Однако твердость и износостойкость упрочненного материала, как правило, увеличивается не более чем на 50%.
Наиболее близким является метод ударного наклепа. Ударный наклеп применяется в промышленности. Известен способ /2/ упрочнения поверхности металла заключающийся в том, что поверхность обрабатывают ударами тел с механическим импульсом. Принцип действия данного метода основывается на ударах по обрабатываемой детали чугунными, стальными, металлическими или керамическими телами. Ударяясь о металлическую поверхность, обрабатывающие тела вызывает пластическую деформацию металла. В основном, эффект распространяется на глубину от 0,1 до 0,3 мм. Упрочнение металлов и сплавов при поверхностной деформации объясняется возрастанием на несколько порядков плотности дислокаций. Преимуществом данного метода является дешевизна и высокая производительность, надежность оборудования и возможность обрабатывать большие поверхности за цикл. Увеличение твердости и износостойкости может достигать до 50%. Однако при нагревании или при механических нагрузках дислокации могут отжигаться, зерна укрупняются, и механические свойства будут снижаться. Во многих случаях необходимо более существенное увеличение твердости и износостойкости жаростойкости, коррозионной стойкости в приповерхностном слое металла.
Указанная цель достигается тем, что предлагается
1. Способ упрочнения поверхности металла, заключающийся в том, что поверхность металла обрабатывают ударами тел с высоким механическим импульсом, отличающийся тем, что в зону взаимодействия подаются упрочняющие микронаночастицы.
2. Способ упрочнения поверхности металла по п. 1. отличающийся тем, что упрочняющие микронаночастицы имеют твердость, превышающую твердость матричного материала.
3. Способ упрочнения поверхности металла по п. 1. отличающийся тем, что размеры упрочняющих частиц составляют от 0,05 до 1000 мкм.
4. Способ упрочнения поверхности металла по п. 1. отличающийся тем, что кинетическая энергия ударяющих тел может достигать единиц Джоулей.
5. Способ упрочнения поверхности металла по п. 1. отличающийся тем, что ударяющие тела может иметь произвольную геометрическую форму.
6. Способ упрочнения поверхности металла по п. 1 отличающийся тем, что масса ударяющих тел составляет величину от 0,1 до 1000 граммов.
7. Способ упрочнения поверхности металла по п. 1 отличающийся тем, что дополнительно может быть проведена термообработка до температур не превышающей температуру плавления металла или разложения материала вводимых микрочастиц.
В процессе удара тела по микрочастице, расположенной на обрабатываемой поверхности энергия, соизмеримая с десятыми единиц джоуля превращается в тепло во взаимодействующих микрообъемах, вплоть до температур плавления и в деформацию матричного металла. Микрочастица входит в объем обрабатываемого металла, формируя закрепленные дислокации, которые не могут отжигаться, так как закреплены введенными в металл микрочастицами. При достаточной плотности введенных микрочастиц твердость обрабатываемой поверхности может достигать твердости введенных частиц.
Размер частиц влияет на глубину формирования слоя и его структуру. При меньших размерах частиц формируются более тонкие размеры упрочненного слоя и требуется меньшая энергия удара. А при больших размерах необходимы более энергичные удары. Верхний предел энергии удара выбирается из соображений отсутствия разрушений поверхностного слоя и формирования на нем трещин.
Оптимальная энергия удара выбирается с целью получения наиболее высокой производительности обработки.
Эксперименты показали, что обработка может быть эффективной при любой форме ударяющих тел: шары, стержни, кубики, а также тела любой другой формы.
Термообработку производить, как правило, не обязательно. Адгезия упрочненного слоя высокая. Но в некоторых случаях она может быть проведена, для получения диффузионного взаимодействия, других фаз и изменения структуры упрочняющего слоя. Температуру следует выбирать минимально возможную как в целях экономии энергии, так и сохранения параметров упрочненного слоя и геометрии детали.
Экономические параметры процесса упрочнения высокие. Минимальные затраты материала, электроэнергии при высоком качестве полученных результатов. Расход при упрочнении кремнием стальной поверхности составляет 200 г кремния ка квадратный метр и не более киловатта электроэнергии.
Возможна реализация указанного способа, например, на дробеметной установке, когда упрочняющие частицы подаются тем или иным способом в зону удара. Возможна реализация процесса на барабанно-ударной установке. В этом случае в зону удара шаров подаются упрочняющие частицы с высокой твердостью.
В результате применения указанного способа было получено увеличения износостойкости стальной поверхности при ее упрочнении частицами кремния в 3 раза. Испытания проводились на стальной трубе диаметром 100 мм. Износостойкость проверялась по убыли массы при обработке поверхности вращающимся стальным диском. Испытывали контрольный образец трубы и образец при одинаковых параметрах нагрузки и скорости вращения диска. Убыль материала проверяли на весах.
Другие свойства поверхности металла также улучшились, в том числе повысились жаростойкость и коррозионная стойкость из-за защитной пленки оксида кремния на поверхности.
Литература.
1. Степанова, Т.Ю. Технологии поверхностного упрочнения деталей машин: учебное пособие/Т.Ю. Степанова; Иван. гос. хим. - технол. ун-т. - Иваново, 2009. - 64 с - ISBN - 5-9616-0315-4.
2. Разработка математической модели процесса поверхностного наклепа ударами шариков. Ю.В. Дьяченко, В.В. Коллеров, О.В. Трифонов, И.А. Воронько, В.О. Гарин. Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии, №76, 2017. С. 39-51