СПОСОБ НАНОСТРУКТУРИРУЮЩЕГО УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ПРЕЦИЗИОННЫХ ДЕТАЛЕЙ ВЫГЛАЖИВАНИЕМ
METHOD OF NANOSTRUCTURING SURFACE HARDENING OF PRECISION PARTS BY BROACHING

Изобретение относится к области технологии машиностроения, а именно к финишной обработке деталей на металлорежущих станках, и может быть использовано для кратного повышения эксплуатационных свойств функциональных поверхностей прецизионных деталей многопроходным выглаживанием за счет создания наноструктурированного слоя.
Упрочнение поверхностных слоев и нанесение упрочняющих и защитных покрытий широко применяется в современном машиностроении. Разработаны принципиально новые методы поверхностного упрочнения: наноструктурирование поверхностных слоев и нанесение наноструктурных покрытий (Наноструктурирование поверхностных слоев конструкционных материалов и нанесение наноструктурных покрытий. Панин В.Е., Сергеев В.П., Панин А.В. - Томск. Издательство Томского политехнического университета. 2008. С.228-269).
Так, для формирования наноструктур в поверхностном слое металлов и сплавов, керамических материалов применяют воздействие высококонцентрированных потоков энергии, таких как бомбардировка высокоэнергетическими пучками ионов и ионных комплексов, облучение импульсными лазерами и электронными пучками, поверхностная ударная и финишная обработка ультразвуком, электроимпульсная обработка и т.п.
Также для нанесения наноструктурных покрытий на детали машин и инструмент широко используют такие методы, как вакуумное магнетронное и дуговое напыление, катодное ионное распыление и т.д. (Наноструктурирование поверхностных слоев конструкционных материалов и нанесение наноструктурных покрытий. Панин В.Е., Сергеев В.П., Панин А.В. - Томск. Издательство Томского политехнического университета. 2008. С.3-4).
Для инструментов и деталей машин, изготовленных из твердых сплавов, наиболее широко применяются износостойкие покрытия, в т.ч. нанокомпозитные, нанесенные методами химического осаждения из газовой фазы. Для осуществления этих методов разработаны специальные установки.
пл
Для получения наноструктурных материалов применяют три основных технологических метода: порошковая технология, интенсивная пластическая деформация, контролируемая кристаллизация из аморфного состояния и химическая технология. Метод интенсивной пластической деформации заключается в деформировании с большими степенями деформации при относительно низких температурах (ниже (0,3-0,4)Т) в условиях высоких приложенных давлений (Физическое материаловедение наноструктурных материалов. В.А.Поздняков. Учебное пособие. - М.: Издательство МГИУ. 2007. С.346).
3
2
3
2
e
Для большинства объемных материалов высокой твердости характерно большое значение модуля упругости Е, поэтому такие материалы являются хрупкими. Для оценки стойкости материала к упругой деформации разрушения используют величину отношения поверхностной твердости к модулю упругости Н/Е, называемую также индексом пластичности материала, а для оценки сопротивления материала пластической деформации применяется отношение Н/E (Leyland A., Mathews A. Optimization of nanostructured tribological Coatings // Nanostructured Coatings, NEW York: Springer, 2007. P.511-538). Применительно к изделиям, подверженным трению и износу, для повышения стойкости к пластической деформации разрушения и уменьшения пластической деформации, материал поверхностного слоя должен обладать высокой твердостью при низком модуле упругости. Одним из способов получения материалов с высокими соотношениями Н/Е и Н/Е, соответствующими более высокой износостойкости, является создание наноструктурных покрытий и поверхностей. При этом особенностью твердых наноструктурных покрытий является то, что помимо высокой твердости эти материалы обладают высокой прочностью, что характеризуется параметром, связанным с упругим восстановлением свойств W, достигающим порядка 90% (Свойства нанопокрытия, наносимого при плазменном финишном упрочнении. П.А.Тополянский, Н.А.Соснин, С.А.Ермаков, А.П.Тополянский. Журнал «Станочный парк», №11(77), 2010, с.21).
Указанные выше способы предназначены для упрочнения поверхности путем формирования наноструктурированного слоя на обрабатываемой поверхности детали, но они очень сложны по технологии и требуют использования специального оборудования, что исключает применение указанных способов при многоцелевой обработке высокоточных деталей.
Наиболее близким способом, предназначенным для упрочнения поверхности, является алмазное выглаживание, заключающееся в скольжении индентора по поверхности заготовки с установленными нагрузкой и скоростью. Алмазное выглаживание обладает существенными преимуществами: высокая производительность, простота инструмента, возможность осуществления процесса на станках с ЧПУ, уменьшение в несколько раз шероховатости поверхности и улучшение физико-механических свойств поверхностного слоя (Финишная обработка деталей алмазным выглаживанием и вибровыглаживанием. Л.Г.Одинцов, М.: Машиностроение, - 1981 г., стр.3).
Пластическая деформация при алмазном выглаживании упрочняет поверхностный слой металла: увеличивает твердость, предел упругости и предел текучести. При назначении типовых режимов алмазного выглаживания упрочнение поверхностного слоя определяется видом и степенью изменения кристаллической структуры металла. При обработке деталей выглаживанием в зависимости от свойств материала обрабатываемой поверхности выбирают силу выглаживания, величину радиуса инструмента, количество рабочих ходов, скорость выглаживания. Силу выглаживания, как правило, назначают не более 200-250 Н для деталей из высокопрочных материалов и не более 100-150 Н для материалов средней твердости. Алмазное выглаживание обычно проводят на скоростях 30-120 м/мин с применением СОТС (смазочно-охлаждающей технологической среды) для охлаждения зон контактной поверхности и инструмента. При алмазном выглаживании, как правило, назначают один рабочий ход (Финишная обработка деталей алмазным выглаживанием и вибровыглаживанием. Л.Г.Одинцов, М.: Машиностроение, - 1981 г., стр.13, стр.14, стр.15, стр.17).
Кратное повышение физико-механических характеристик металла при современных высокоинтенсивных методах деформационного упрочнения поверхности достигается за счет перевода структуры поверхностного слоя в нанокристаллическое состояние, обеспечивающее эффективное блокирование движения дислокации границами нанозерен. Для эффективного наноструктурирующего упрочнения поверхностей материалов должны быть обеспечены условия для накопления интенсивной пластической деформации в поверхностном слое, что достигается увеличением сдвиговой компоненты деформации блоков и зерен поверхностного слоя и числа проходов обрабатывающего инструмента.
Наряду с увеличением прочностных свойств, создание сдвигонеустойчивого наноструктурированного поверхностного слоя создает условия для выхода наружу деформационных дефектов в зонах растягивающих нормальных напряжений путем смещения в мезаполосах ламелей относительно друг друга (Наноструктурирование поверхностных слоев конструкционных материалов и нанесение наноструктурных покрытий. Панин В.Е., Сергеев В.П., Панин А.В. - Томск. Издательство Томского политехнического университета. 2008. С.146-148).
Для повышения ресурса работы деталей за счет создания наноструктурированного слоя с увеличенной твердостью и пластичностью на функциональных поверхностях предлагается способ наноструктурирующего упрочнения поверхностного слоя прецизионных деталей выглаживанием, заключающийся в многократном пластическом деформировании механически обработанной заготовки инструментом со сферическим индентором при силе выглаживания Р, обеспечивающей глубину внедрения индентора в обрабатываемую поверхность h=(1,5-2)Rmax. Индентор изготовлен из мелкодисперсного кубического нитрида бора, обеспечивающего высокий коэффициент трения в контакте с обрабатываемой поверхностью, что дополнительно увеличивает сдвиговую компоненту деформации.
Глубину внедрения индентора в обрабатываемую поверхность h=(1,5-2)Rmax задают силой выглаживания. При глубине внедрения индентора h≥1,5Rmax начинается процесс формирования волны оттесненного металла. При увеличении глубины внедрения индентора h>2Rmax возможно разрушение поверхностного слоя за счет образования микротрещин, особенно на материалах с высокой твердостью. Количество проходов индентора назначают из условия достижения размеров зерен ≤100 нм в тонком поверхностном слое и обеспечения требуемой микротвердости поверхности.
Многократное контактное воздействие индентора инструмента, изготовленного из мелкодисперсного кубического нитрида бора, который обеспечивает высокий коэффициент трения в контакте с обрабатываемой поверхностью, на элементарный микрообъем материала в локализованной зоне пластической деформации обеспечивает формирование большеугловых границ за счет тангенциального сдвига, дробления и разворота кристаллов материала в поверхностном слое детали. Экструдированные мезополосы, распространяющиеся в поверхностных слоях по схеме волн заселения, способствуют однородному развитию микродеформации на протяжении всего процесса нагружения, обеспечивают наноструктурирующее упрочнение поверхностного слоя и увеличение пластичности.
Пример осуществления способа.
Металлическую заготовку из цементированной стали 20Х, закаленной до HRC 59, обрабатывали на станке с ЧПУ точением, затем проводили наноструктурирующее упрочнение поверхности детали инструментом со сферическим индентором, изготовленным из мелкодисперсного кубического нитрида бора (коэффициент трения которого по цементированной стали 20Х при трении без применения СОТС равен 0,34). Прижатый к обрабатываемой поверхности детали с силой Р=200 Н инструмент внедряется в нее на глубину h=1,7 мкм. Во внеконтактной зоне пластической деформации формируется волна пластически деформированного металла, в которой происходит ротация и сдвиг зерен и фрагментов в поверхностном слое. Высокое трение в очаге деформации обеспечивает дополнительные сдвиговые деформации и концентраторы напряжения, которые действуют в тонком поверхностном слое, формируя наноструктуру. Скорость выглаживания Vвыгл.=10 м/мин, S=0,04 мм/об. Количество проходов 8.
0,05
После наноструктурирующего упрочнения поверхности микротвердость составляет не менее HV=11,78±1,0 ГПа. Кроме того, в результате пластического деформирования обрабатываемой поверхности одновременно с образованием наноструктурированного упрочненного поверхностного слоя происходит сглаживание исходных неровностей микрорельефа.
Применение предлагаемого способа обеспечивает повышение микротвердости поверхностей цементированных заготовок на 25-40% при сохранении пластичности тонкого поверхностного слоя и повышение износостойкости деталей в 2-3 раза за счет создания наноструктурированного слоя на обрабатываемой поверхности.