СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ИЗДЕЛИЯ ИЗ СТАЛИ
METHOD OF SURFACE HARDENING OF STEEL PRODUCTS

Изобретение относится к машиностроению, в частности к способам поверхностного пластического деформирования (ППД) твердыми частицами, и предназначено для упрочнения поверхностей деталей, например шеек и галтелей коленчатых валов двигателей, компрессоров, изготовленных из железоуглеродистых сплавов.
-4
Известны способы упрочнения деталей дробью или другими частицами (Одинцов Л.Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием: Справочник. - М.: Машиностроение, 1987. - 328 с, с.242-259 [l]), например дробеструйный (ДУ), пневмодинамический (ПДУ), заключающиеся в том, что поверхность изделий из железоуглеродистых сплавов обрабатывается потоком дроби с использованием струи воздуха. При этом достигаются следующие энергетические параметры процесса обработки дробью: скорость дроби - до 10 м/сек (табл.53, стр.246[l]) при удельной энергии частиц - до 6×10 Дж (табл.70, стр.300 [1]).
-4
Обработка дробью приводит к повышению твердости в поверхностном слое металла на глубину до 2×10 м (фиг.158, стр.247 [1]). При этом происходит упрочнение поверхностного слоя со степенью наклепа до 25% при обработке в течение 60 секунд.
Достигаемые энергетические характеристики и параметры обработки дробью позволяют повысить сопротивление разрушению при циклических нагрузках в 3,2 раза дробеструйной и 5,1 раза пневмодинамической обработкой по сравнению с шлифованием (таблица 71, стр.300 [1]). Причем, чем больше скорость и энергия дроби (частиц), тем больший эффект сопротивления разрушению при циклическом нагружении можно получить (таблица 70, стр.300 [1]).
Известен способ упрочнения поверхности изделий из стали путем ударного воздействия твердыми частицами на обрабатываемую поверхность с использованием газодинамического оборудования для разгона частиц и выброса их из сопла.
Патент РФ №2106236, кл. B24C 3/32, 1998 г.
Данный способ по технической сущности и достигаемому результату наиболее близок к изобретению и, поэтому, принят за прототип.
К основным недостаткам известного способа можно отнести необходимость применения дополнительной оснастки (экранов), которая защищает и предохраняет необрабатываемую поверхность деталей от воздействия дроби.
2
Кроме того, режимы упрочнения характеризуются значительной нестабильностью, что объясняется следующими причинами: большим допуском на диаметр дроби (например, для диаметра дроби 0,5-0,8 мм или 0,8-1 мм допуск составляет около 1/3 диаметра дробинки); ускоренным изнашиванием дроби вследствие сухого трения, которое приводит к заметному уменьшению диаметра дроби уже в течение одной смены, что снижает стабильность процесса, так как энергия удара пропорциональна диаметру дроби третьей степени; значительным допуском на давление воздуха (стр.245 [1]). В результате производительность известного способа низка - время обработки 1 см поверхности составляет 60 сек.
Техническим результатом заявленного способа является повышение производительности процесса за счет сокращения времени.
-2
-2
Указанный технический результат достигается тем, что в способе упрочнения поверхности изделий из стали, путем ударного воздействия твердыми частицами на обрабатываемую поверхность с использованием газодинамического оборудования для разгона частиц и выброса их из сопла, разгон частиц осуществляют сверхзвуковой струей воздуха, в качестве твердых частиц используют порошок корунда, а обработку изделия ведут при скорости перемещения сопла - (9-11) м/сек, расстоянии от сопла до поверхности изделия -(9-11) м и температуре воздуха на выходе из сопла 300-400°C.
Согласно изобретению в качестве газодинамической установки используют установку типа «Димет-404», корунд марки К-00-04-16.
Изобретение иллюстрируют примерами выполнения.
Пример 1.
-2
-2
Пластину из стали 40Х обрабатывают путем ударного воздействия частицами корунда размером до 300 мкм с использованием газодинамического оборудования «Димет-404» для разгона частиц и выброса их из сопла. Разгон частиц осуществляют сверхзвуковой струей воздуха. Обработку изделия ведут циклически при скорости перемещения сопла - 10 м/сек, расстоянии от сопла до поверхности изделия -10 м и температуре воздуха на выходе из сопла 360°C.
Пример 2.
Цилиндрический образец из стали 40Х обрабатывают путем ударного воздействия частицами корунда. Процесс ведут по технологии, описанной в примере 1.
Пример 3.
Для получения значений оптимальных параметров процесса ведут обработку изделий по технологии, описанной в примере 1, меняя параметры обработки изделия. Затем проводят физико-механические исследования обработанных образцов.
Проведенные исследования на среднеуглеродистой легированной конструкционной стали 40Х, которая используется в машиностроении для изготовления широкой номенклатуры ответственных деталей, например валов, показали возможность повышения прочности за счет газодинамической обработки корундом. В качестве основных изменяемых параметров обработки были выбраны: температура струи воздуха - T (°C) и время воздействия корундом на сталь - τ (сек).
Оптимизация технологических параметров обработки корундом проводилась на основе результатов измерения твердости по глубине методом Виккерса (HV 0,1/10 ГОСТ 2999-75 в редакции 1987 г.).
2
2
Было получено повышение исходной твердости стали с 206 кг/мм(2019 МПа) до 265 кг/мм (2597 МПа) (фиг.1). При этом происходило упрочнение структуры металла со степенью наклепа 25% при температуре потока воздуха T=360°C.
2
На фиг.1 показан прирост твердости от глубины обработки в зависимости от времени обработки. 1 - от 9 до 15 сек, 2-30 сек. Время обработки 1 см поверхности τ=9 секунд.
-6
Для уточнения оптимальных режимов обработки образцы стали испытывались и обрабатывались согласно ГОСТ 1497-84 на растяжение при статическом нагружении с использованием универсальной испытательной машины фирмы INSTRON с записью диаграммы нагрузка - деформация и с регистрацией данных в системе ACTest-Pro 1.14. Скорость нагружения составляла 33×10 м/сек.
Испытания образов на растяжение при статическом нагружении после обработки предложенным способом представлены в таблице.
№ п/п
Варианты обработки стали 40Х
Результаты испытания
σ<sub>B</sub>, кг/мм<sup>2</sup>
Оценка, %
Тенденция
1
Без обработки корундом
60,132
100
-
2
Обработка корундом: τ=3 сек, T=360°C
60,452
100,5
≈
3
Обработка корундом: τ=9 сек, T=360°C
61,465
102,2
↑↑
4
Обработка корундом τ=15 сек, T=360°C
59,551
99,0
↓
5
Обработка корундом ≥τ=30 сек, T=360°C
56,923
94,6
↓↓↓
6
Обработка корундом τ=9 сек, T=20°C
58,442
97,2
↓↓
Из представленных данных видно, что только обработка корундом в течение 15 с приводит к повышению прочности (поз.№3, таблица).
-2
-2
Как показали испытания образцов, наилучшие результаты достигаются тогда, когда обработку ведут при скорости перемещения сопла - (9-11) м/сек, расстоянии от сопла до поверхности изделия - (9-11) м и температуре воздуха на выходе из сопла 300-400°C.
Таким образом, использование предложенного способа позволяет без снижения степени наклепа в 2-4 раза сократить время обработки изделия по сравнению с известным способом и, тем самым, увеличить производительность процесса.