СПОСОБ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ
METHOD OF TREATMENT OF STEEL PARTS SURFACES

Изобретение относится к упрочняющей обработке поверхностных слоев деталей машин и может быть использовано для повышения износостойкости металлических поверхностей.
Известны способы механического упрочнения поверхностных слоев металлов и сплавов, основанные на поверхностной пластической деформации, в которых повышение механических характеристик достигается за счет наклепа, измельчения зерен, образования благоприятной структуры и остаточных напряжений в поверхностном слое [1].
Основным недостатком механического упрочнения является снижение коррозионной стойкости металлических поверхностей.
В качестве прототипа выбран способ упрочнения поверхностей деталей методом диффузионного молекулярного армирования [2]. Данный способ упрочнения поверхностей деталей заключается в том, что обрабатываемую поверхность подвергают холодной пластической деформации при непрерывной подаче радикалообразующего вещества в зону деформации до достижения заданной величины наклепа материала поверхностного слоя, затем производят нагрев детали до температуры химической модификации радикалообразующего вещества, при которой начинается деструкция его молекул, и выдерживают деталь при данной температуре при непрерывной подаче радикалообразующего вещества в течение времени, необходимого для предельного насыщения радикалами упрочняемого поверхностного слоя.
Недостатком этого способа является окисление радикалообразующего вещества с образованием вторичных пленок (лаков, нагаров), которые не устраняются даже при введении антиокислительных присадок. Лаки, нагары загрязняют поверхность и требуют дополнительных операций по их удалению. Кроме того, данный способ вследствие частичного окисления радикалов не обеспечивает их полного взаимодействия с поверхностью, что не позволяет достичь максимального антикоррозионного эффекта.
Технический результат настоящего изобретения заключается в повышении чистоты и коррозионной стойкости металлических поверхностей.
Технический результат достигается тем, что обрабатываемую поверхность подвергают холодной пластической деформации при непрерывной подаче радикалообразующего вещества в зону деформации до достижения заданной величины наклепа материала поверхностного слоя. Затем осуществляют химико-термическую обработку детали посредством нагрева детали до температуры химической модификации радикалообразующего вещества, при которой начинается деструкция его молекул, и выдерживают деталь при данной температуре при непрерывной подаче радикалообразующего вещества в течение времени, необходимого для предельного насыщения радикалами упрочняемого поверхностного слоя, при этом перед нагревом деталей в камере создают вакуум или вводят защитный газ азот, после чего производят нагрев деталей, причем радикалообразующее вещество представляет собой минеральное масло.
Заявленный способ обработки поверхностных слоев стальных деталей машин осуществляют по следующим этапам.
1. Производят холодное поверхностное пластическое деформирование обрабатываемой детали любым традиционным способом (накатка шариком, роликом, вибронакатка и т.д.) в среде радикалообразующего вещества. На этом этапе формируется благоприятная текстура, микрорельеф, происходит активация и механический наклеп поверхностного слоя, а также частичное насыщение поверхности радикалами, образованными при механической деструкции молекул радикалообразующего вещества в зоне контакта индентора (шарика, ролика) с поверхностью. Кроме того, при пластической деформации поверхностного слоя образуется большое количество дислокаций, способствующих внедрению радикалов на следующем этапе обработки.
2. Помещают обрабатываемую деталь в камеру, в которой создают вакуум или вводят защитный газ азот. При этом радикалы, образованные при термодеструкции радикалообразующего вещества (например, минерального масла), без доступа кислорода не окисляются на поверхности с образованием лаков и нагаров и в большем объеме реагируют с материалом поверхностного слоя, что обеспечивает чистоту поверхности и повышенную прочность поверхностного слоя.
3. При непрерывной подаче радикалообразующего вещества, производят нагрев обрабатываемой детали до температуры, близкой к температуре химической модификации этого вещества, при которой начинается деструкция молекул, и появляются активные центры - радикалы, представляющие собой отдельные фрагменты исходной молекулы с незавершенными атомными связями. Кроме того, нагрев способствует интенсивному взаимодействию радикалов с обрабатываемой поверхностью. При этом основная часть радикалов проникает в поверхностный слой, упрочняя его, а не прореагировавшая часть радикалов испаряется с поверхности, не оставляя загрязнений. Скорость и способ нагрева детали должны обеспечивать равномерный и быстрый прогрев поверхности, так, чтобы не вызвать отпуска металла.
В результате описанного способа повышается твердость и коррозионная стойкость металлической поверхности, при этом обработанная деталь не требует последующей очистки.
2
2
2
Пример. Цилиндрические образцы ⌀30 мм длиной 100 мм из стали 40Х в количестве 10 шт. в отожженном состоянии подвергли холодной пластической деформации путем выглаживания цилиндрической поверхности шариком из стали ШХ-15 в среде радикалообразующей жидкости (минеральное масло И-12А). Затем одну часть образцов поместили в контейнер, имеющий в стенках отводы для подачи в него среды защитного газа (азота), и поместили контейнер в печь. Вторую часть положили в печь рядом с контейнером. Нагрели печь до температуры 220°С, непрерывно пропуская через контейнер азот с избыточным давлением 0,1 атм. После выдержки образцов в печи в течение 30 минут все образцы вынули из печи и охладили на воздухе. После проведенной обработки сравнили внешний вид образцов, оценили микротвердость поверхностного слоя методом Виккерса и провели коррозионные испытания по ГОСТ 308-85 в камере солевого тумана с использованием раствора хлористого натрия. Испытания показали, что при нагреве в среде защитного газа поверхность не покрывается темной пленкой, имеет микротвердость (380 кгс/мм) на 23% более высокую, чем при упрочнении на воздухе (309 кгс/мм). Аналогичная обработка образцов, проведенная в вакуумной печи, показала повышение твердости поверхностного слоя до 395 кгс/мм. Сравнение коррозионной стойкости показало, что на необработанных поверхностях через 12 часов наблюдалась интенсивная коррозия, а на обработанных поверхностях точки коррозии появились через 48 часов. Таким образом, испытания подтвердили заявленный эффект.
Используемая литература
1. Одинцов Л.Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностно-пластическим деформированием: Справочник. - М.: Машиностроение, 1987, 328 с.
2. Патент РФ №2198954. Способ упрочнения поверхностей деталей/ Громаковский Д.Г., Ковшов А.Г., Малышев В.П., Ибатуллин И.Д., Дынников А.В., Шигин С.В., Анучин Ю.Е., Маруженков К.И. Опубл. 20.02.2003.