СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПОКРЫТИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ
METHOD FOR FORMING COATING ON DETAIL SURFACE

Изобретение относится к области электрофизических методов обработки материалов и может быть использовано для нанесения на поверхность изделий покрытий с регламентированными свойствами.
Для улучшения физических, химических, механических и технологических свойств поверхность деталей легируют, вводят в их состав различные легирующие элементы или наносят на детали покрытия с требуемыми физико-механическими свойствами.
Известен способ легирования стальных деталей путем термодиффузионного насыщения поверхности деталей различными легирующими элементами, который заключается в нанесении на поверхность детали обмазки, содержащей легирующий элемент, и выдержке в печи детали при высокой температуре с последующим охлаждением (см. Ю.М. Лахтин, Б.Н. Арзамасов. «Химико-термическая обработка металлов», М.: «Металлургия», 1985 г., с. 255).
Недостатком этого способа является длительность процесса, высокие температуры нагрева деталей и небольшая толщина диффузионного слоя, при этом концентрация легирующего элемента резко снижается от поверхности вглубь материала детали. Кроме того, при высоких температурах нагрева растет зерно аустенита, что приводит к снижению механических свойств стали и деформации изделий.
Известен способ нанесения покрытий (RU 2072282 C1, В23Н 9/00, опубл. 27.11.2008), заключающийся в осуществлении электроискрового легирования поверхности деталей вибрирующим электродом и пластического деформирования нанесенного покрытия торцовой поверхностью вращающегося диска. Для этого в диске выполняют сквозные пазы, через которые осуществляются контакты вибрирующего электрода с деталью, и частоту вибрации электрода согласуют с частотой следования пазов диска при его вращении. При реализации способа происходит деформирование нанесенного покрытия в пластичном состоянии.
Однако при нанесении твердосплавных покрытий снижается теплопроводность поверхности, что уменьшает теплоотвод и вызывает перегрев рабочего органа, снижение его твердости и, как следствие, уменьшение износостойкости.
Известен способ нанесения упрочняющего покрытия с армирующим эффектом (RU 2304185 C1, С23С 28/02, B22D 19/08, В23Н 9/00, опубл. 10.08.2007), включающий наплавку покрытия из твердого сплава на поверхность детали, а затем на полученное покрытие наносят новое покрытие методом электроискрового легирования.
Однако данный способ приводит к изменению фазового состава поверхности детали и способствует появлению микротрещин поверхности детали, а также увеличивает продолжительность и стоимость обработки.
Наиболее близким техническим решением и взятым за прототип является способ формирования износостойких покрытий по RU 2262553 С2, С23С 26/00, B22F 7/02, B22F 3/093, опубл. 20.10.2005, включающий нанесение на поверхность детали клеевого слоя, содержащего порошковый материал дисперсностью 0,1-50 мкм, смешанного с клеем до однородной массы, при следующем соотношении массовых процентов: порошковый материал 75-90; клей - остальное. Затем производят окончательную обработку высохшего клеевого слоя давлением, путем обкатки роликом и/или обработку ультразвуком, при этом рабочую поверхность инструмента перемещают относительно детали при вращательном или поступательном движении детали.
Недостатком способа является сложность технологического процесса, требующего специального оборудования и невысокая сцепляемость получаемого покрытия с поверхностью детали.
Целью изобретения является формирование покрытия на поверхности детали, на участках и зонах поверхности, испытывающих повышенные отрицательные воздействия, с регламентированными свойствами, ослабляющими или исключающими влияние отрицательных воздействий на деталь.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе формирования покрытия на поверхности детали, включающий нанесение на поверхность детали клеевого слоя из смеси, содержащей порошковый материал и клей при следующем соотношении, масс. %: порошковый материал 75-90, клей - остальное, после высыхания которой клеевой слой подвергают окончательной обработке, при этом используют порошковый материал с дисперсностью 0,1-500 мкм, клей в виде токопроводящего клея с удельным объемным сопротивлением не более 0,01 Ом⋅см, причем клеевой слой наносят толщиной не более 2,0 мм, а окончательную обработку осуществляют путем электроискрового легирования с энергией импульсов от 0,1 до 10,0 Дж.
Также клеевой слой на поверхности детали получают путем последовательного нанесения одного на другой нескольких слоев из смеси, содержащей в качестве порошкового материала разные вещества, с промежуточной сушкой каждого предыдущего слоя.
Сущность изобретения заключается в том, что отдельные участки и зоны детали, несущие при эксплуатации наибольшую нагрузку физического воздействия (давление, температура, истирание и т.п.), требуют формирования покрытия на поверхности детали увеличенной стойкости этих участков. При электроискровом легировании искра создает температуру, достигающую 20000°К (Бурумкулов Ф.Х. и др. Электроискровые технологии восстановления и упрочнения деталей машин и инструментов (теория и практика). Саранск, «Красный Октябрь», 2003, С. 11, Таблица 1.1). Проходя через клеевой слой, искра выжигает клеевую основу и, расплавляя материал порошка, часть его диффундирует в поверхностный слой материала детали, а часть остается в покрытии, создаваемом электроискровым легированием.
Размер частиц применяемого легирующего порошкового материала и энергия импульса электроискровой обработки определяют глубину диффузного слоя, а степень насыщения порошком клеевого слоя и толщина его нанесения на поверхность детали определяют количество введенного в покрытие легирующего элемента.
Для формирования покрытий на поверхности детали с различными физико-механическими свойствами, клеевой слой на поверхности детали получают путем последовательного нанесения одного на другой нескольких слоев из смеси, содержащей в качестве порошкового материала разные вещества, с промежуточной сушкой каждого предыдущего слоя.
Способ включает в себя следующие технологические операции:
- составление смеси из порошкового материала и токопроводящего клея;
- нанесение слоя клеевой смеси на участок детали;
- сушка нанесенного слоя;
- обработка участка детали с нанесенным слоем электроискровым легированием.
Способ осуществляется следующим образом.
Пример 1. Известно, что надежность кулачковых механизмов преимущественно определяется долговечностью кулачков, рабочая поверхность которых теряет работоспособность вследствие контактно-усталостного износа в процессе эксплуатации. Ранее было установлено также, что "зависимость износа от теплопроводности покрытия не носит монотонного характера … чем выше теплопроводность, тем ниже величина износа детали" (RU 2484180 С2, С23С 28/00).
При осуществлении предлагаемого способа упрочнение рабочей поверхности кулачка производили электроискровым легированием стандартным электродом из твердого сплава Т15К6 ГОСТ3882-74, а в качестве теплоотводящего материала применялась медь. Медный порошок марки ПМС-В (размеры частиц порошка 0,045-0,224 мм) ГОСТ 4960-2009 смешали с электропроводящим клеем Контактол Радио (удельное объемное сопротивление 0,01 Ом⋅см) в весовом соотношении 8:2 и нанесли на рабочую поверхность кулачка слоем толщиной 0,2-0,3 мм. Сушку клеевого слоя проводили на воздухе при комнатной температуре в течение 24 часов. Электроискровое легирование производили установкой для электроискрового легирования БИГ-5 ТУ 3312-001-02069964-2012 с обработкой на режиме №50, который характеризуется следующими показателями:
амплитудный ток
200 А
длительность импульса
250 мкс
энергия импульсов
1,8 Дж
частота импульсов
200 Гц
После окончательной обработки кулачков электроискровым легированием проводился разрез кулачка и изготовлялся шлиф участка кулачка с покрытием. Толщина нанесенного покрытия составила 6,4±0,5 мкм. Микроскопический анализ шлифа показал, что медь в покрытии распределена по всему объему покрытия в виде мелких вкраплений. Твердость поверхности кулачков контролировали твердомером Бринелля ТН 600. Твердость участков кулачков с покрытием легированием, созданным в соответствии с изобретением, составила 426 НВ.
Кроме того, проводили измерение теплопроводности кулачка косвенным способом, используя методику, приведенную в (Лившиц Б.Г. и др. Физические свойства металлов и сплавов. - М.: Металлургия, 1980. - 320 с.) Теплопроводность покрытия твердым сплавом Т15К6 известным способом составила 0,46 Вт/см⋅К, а с добавкой меди с использованием способа в соответствии с изобретением - 0,71 Вт/см⋅К, что привело к увеличению износостойкости кулачка не менее чем на 15%.
2
3
Пример 2. Исследования, представленные в источнике (Наноструктурирование поверхности стали электроискровой обработкой новыми электродными материалами на основе карбида вольфрама. Николенко С.В. и др. Электронная обработка материалов. - №47(3) - 2011, С. 28-35), показали, что добавка AlO в количестве 1 мас. % в сплав ВК8 увеличивает по сравнению со стандартным сплавом ВК8 суммарный массоперенос и эффективность процесса формирования легированного слоя почти в 3 раза, а микротвердость легированных слоев превышает в 3-4 раза микротвердость стали 35.
По предлагаемому способу введение оксида алюминия в наносимую электроискровым легированием поверхность проводили приготовлением смеси из 75% порошка оксида алюминия (глинозема) ГК-4 ГОСТ 30559-98 и 25% электропроводящего клея НТК (удельное объемное электрическое сопротивление 0,05-0,08 Ом⋅см). Смесь наносили на поверхность детали из стали 35 слоем 0,5±0,1 мм и производили сушку нанесенного слоя. Электроискровое легирование проводили установкой БИГ-5 на 10 режиме обработки:
амплитудный ток
120 А
длительность импульса
50 мкс
энергия импульсов
0,11 Дж
частота импульсов
1600 Гц
После электроискровой обработки толщина нанесенного слоя составила 5,7±0,5 мкм. Измеренная твердость поверхностного слоя детали показала, что твердость поверхности детали с упрочненным слоем оказалась равной 495 НВ, что в 3 раза больше, чем неупрочненного (твердость 161 НВ).
Предлагаемый способ дает возможность оперативно формировать покрытие с регламентированными свойствами, при этом он имеет ряд преимуществ перед аналогами и прототипом, а именно:
- позволяет формировать покрытия на конкретных участках поверхности детали;
- при формировании покрытия детали не подвергаются экстремальным физическим воздействиям;
- способ дает возможность производить упрочнение деталей механизма на месте эксплуатации, не удаляя деталь из механизма и не разбирая механизм;
- способ позволяет рационально использовать легирующие элементы, нанося их точное количество на участок поверхности детали независимо от сложности рельефа поверхности детали;
- сформированное покрытие имеет большую степень сцепляемости с материалом детали «… прочность сцепления покрытий, образованных электроискровой обработкой находится на уровне наплавочных методов» (Ф.X. Бурумкулов и др. Электроискровые технологии восстановления и упрочнения деталей машин и инструментов (теория и практика). - Саранск: Тип. «Крас. Окт.», 2003. - С. 104). «Отслоение нанесенных на металлические поверхности покрытий электроискровым способом не наблюдается» (там же, С. 38).
- при реализации способа применяются распостраненные материалы и серийно выпускаемые установки для электроискрового легирования.