Устройство для низкотемпературного поверхностного легирования

Предлагаемая полезная модель 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.
Известны технологические приемы, 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 приемов, требующим 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 технологические приемы шариковой и роликовой обкатки металлических изделий, приводящие к выглаживанию, механическому и химическому упрочнению поверхности металлических изделий [Справочник технолога - машиностроителя под ред. А.Г. Косиловой, Р.К. Мещерякова, том 2, глава 6, Особенности структуры и свойств поверхности металлов, подвергнутых деформационной полировке // Материаловедение, 2013, в.11, с. 51 - 57). Недостатками приведенных схем являются низкая производительность по площади обработки поверхности за единицу времени ввиду малого количества обрабатывающих роликов или шариков и ограниченность форм обрабатываемой поверхности ввиду жесткого крепления обрабатывающего инструмента.
Известен патент СССР №820982 «Устройство для обкатки цилиндрических поверхностей», авторы В.А. Рудов, А.Б. Файнштейн, Е.Г. Вайсман, опубликован 15.04.1981, Бюллетень №14. Устройство для обкатки цилиндрических поверхностей содержит смонтированные в корпусе оправку, сепаратор с давильными элементами, механизмы регулировки радиального перемещения давильных элементов, при этом каждый давильный элемент выполнен в виде фасонного ролика и жестко соединенного с ним хвостовика, установленного с возможностью вращения вместе с корпусом, размещенного в пазах сепаратора. Так как это устройство эффективнее других реализует возможности обработки обкаткой, в данной заявке оно принимается за прототип.
Недостатком данного устройства является отсутствие возможности непрерывной подачи легирующего состава в приконтактную область между обкатывающим шариком и обрабатываемой поверхностью.
Технический результат, на достижение которого направлена полезная модель, заключается в возможности непрерывного нанесения легирующего вещества на обрабатываемую поверхность непосредственно в процессе обкатки.
Для достижения технического результата устройство содержит конструкцию для обкатки поверхностей с давильными элементами, снабженное механизмом регулировки перемещения давильных элементов перпендикулярно средней плоскости обрабатываемой поверхности и механизмом их вращательного и возвратно-поступательного перемещения вдоль этой поверхности, часть давильного элемента, непосредственно обкатывающая поверхность, выполнена в виде камеры, в которую заливается жидкость с легирующим веществом, а выходное отверстие камеры, обращенное в сторону обкатываемой поверхности, закрыто прижимаемым регулируемой пружиной к этому отверстию изнутри шариком большего диаметра.
В наших экспериментах показано, что шариковая обкатка поверхности с подачей в приконтактную область между 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.
На фиг. 1 представлен обкаточный узел, где 1 - обкатывающий шарик, 2 -камера для жидкости, содержащая поставляемую в приконтактную зону жидкость с легирующим компонентом, 3 - винт, регулирующий степень прижатия шарика к выходному отверстию, 4 - несущий корпус обкаточного узла, 5 - отверстие для заливки легирующей жидкости в камеру 2,6- втулка с резьбой, обеспечивающая вместе с прижимным винтом 4 необходимую величину прижатия шарика к выходному отверстию камеры с легирующей жидкостью. Данный обкаточный узел с обкатывающим шариком, обеспечивающий подачу легирующего компонента в зону контакта, устанавливается на обкаточное устройство, схема которого приведена на фиг. 2. Обкатывающее устройство по такой схеме способно обеспечить обкатку поверхностей 7 с широким диапазоном расстояний от обрабатывающего инструмента за счет того, что обкаточные узлы с обкатывающими шариками закреплены не жестко, а имеют возможность перемещаться перпендикулярно средней плоскости обрабатываемой поверхности 7. Это достигается тем, что обкаточные узлы с обкатывающими и одновременно легирующими шариками 1, установленными в корпусах 4, установленными в трубках 8, имеют возможность осевых перемещений в телескопических втулках 9. Базовая камера 10 выполняет следующие функции: к ней крепятся телескопические втулки 9, вставленные в которые подвижные трубки 8 обеспечивают прижатие закрепленных в них обкаточных шариков 1 к обрабатываемой поверхности 7 за счет гидравлического давления 11, создаваемого в базовой камере 10 внешним источником. Необходимые для обкаточно-легирующего воздействия движения шариков 1 создаются комбинацией вращательных и возвратно-поступательных перемещений базовой камеры 10 параллельно средней плоскости обрабатываемой поверхности. Соотношение между скоростями и амплитудами вращательного и возвратно-поступательного движений 12 камеры 10, а также гидравлическое давление в ней 11 определяются в зависимости от характера обрабатываемого материала и макроскопической формы поверхности.
Заявленное устройство работает таким образом:
Базовая камера 10 прикреплена к внешнему механизму, выполняющему следующие функции: прижимает базовую камеру к обрабатываемой конструкции, создает в базовой камере гидравлическое давление 11 так, чтобы обеспечить прижатие обрабатывающих шариков к обрабатываемой поверхности с усилиями, соответствующими технологическим требованиям, обеспечивает вращательное и возвратно-поступательное движение 12 базовой камеры относительно средней плоскости обрабатываемой поверхности со скоростями и амплитудами, соответствующими технологическим требованиям. Обкатывающие шарики 1, установленные в камерах для жидкости 2, содержащих жидкость с легирующими компонентами, будучи прижимаемыми к обрабатываемой поверхности 7, перемещаются вдоль нее за счет возвратно-поступательных и вращательных движений 12 базовой камеры 10 и за счет своего вращения переносят жидкость с легирующими компонентами в приконтактную зону между шариком и обрабатываемой поверхностью. Посредством локального деформирования приконтактной области легирующие компоненты внедряются в приповерхностный слой, производя его легирование.