КОМПОЗИЦИОННОЕ МЕТАЛЛИЧЕСКОЕ ИЗДЕЛИЕ С АНТИФРИКЦИОННЫМ И УПРОЧНЯЮЩИМ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИМ ПОВЕРХНОСТНЫМ СЕРВОВИТНЫМ СЛОЕМ

Уровень техники
Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к металлическим изделиям повышенного ресурса, например, гребням колес колесным парам тележек вагонов железнодорожного транспорта, пальцам для машин, механизмов и оборудования горнодобывающей промышленности, штокам гидрогасителей вагонов, упрочненным цевкам, коленчатым валам, шейкам валов для подшипников скольжения, шаровым опорам с повышенными триботехническими характеристиками, износостойкостью и коррозионной стойкостью.
Область техники
Известно, что в парах трения работающих при контактных давлениях P=2.5-20 МПа и скоростях скольжения V=0.5-3.0 м/с воздействие на поверхность соприкасающихся металлических деталей позволяет повысить ресурс машин и уменьшить потери на трение.
Фрикционное материаловедение является быстро развивающимся направлением в науке о трении и износе, так как именно с этим направлением связано решение основной задачи машиностроения - обеспечение долговечности подвижных сопряжений. Одним из решений данной задачи является увеличение износостойкости пар трения изучение механизма разрушения поверхности при трении. Особая роль принадлежит учету факторов химического и физико-химического взаимодействия деформированных поверхностных объемов и смазочного материала разной природы и свойств [1, 2].
Износостойкость поверхности весьма существенно также зависит от условий трения (сухое, полусухое, жидкостное), величина нагрузок, прочностных свойств материала и химической стойкости, высоты и формы неровностей и степени их изменения в процессе работы, направления неровностей. При всех видах трения влияние высотных параметров Ra, Rz, Rmax на износостойкость зависит от условий трения.
По данным П.Ε. Дьяченко зависимость износа от высоты неровностей носит в определенном диапазоне экспотенциальный характер. Увеличение высоты неровностей до определенного значения приводит к снижению износа, так как на очень чистых поверхностях происходит молекулярное схватывание (адгезия) плотно соприкасающихся участков поверхностей с последующим нарушением связей (вырывом частиц), чему способствует выдавливание смазки и плохая смачиваемость поверхностей повышенной гладкости, а также формируются участки механического зацепление и разрушение неровностей.
Среди различных способов повышения сопротивляемости изнашиванию поверхности металлических деталей основными традиционными способами являются цементация, нитроцементация, азотирование.
В настоящее время все большее применение находит экологически чистая технология способом ультразвуковой пластической деформацией поверхностей металлов с модификаторами из серпентинита так-как качество поверхности изделий и деталей в парах трения обладают 2-5 раз более высокой износостойкостью и коррозионной стойкостью, и не требует дополнительной обработки.
Известны металлические изделия, изготовленные давлением с использованием энергии ультразвука, который используются при финишной обработке поверхностей металлических деталей для повышения твердости поверхностного слоя, уменьшения шероховатости и снижения коэффициента трения и в общей для них части предусматривают воздействие на обрабатываемую поверхность ультразвуковыми механическими колебаниями посредством акустического инструмента, соединенного с ультразвуковым электромеханическим преобразователем, или рабочих тел, на которые наложено ультразвуковое поле [3].
Однако возможности указанных известных способов по улучшению триботехнических, прочностных и антикоррозионных характеристик обрабатываемых поверхностей весьма ограничены, поскольку данные способы связаны лишь с пластической деформацией и повышением чистоты обрабатываемых поверхностей, но не с их модификацией, например, путем создания металлокерамического поверхностного слоя. Кроме того, по этой же причине указанные известные способы не позволяют повышать коррозионную стойкость поверхностей и восстанавливать изношенные металлические поверхности.
Известны способы обработки деталей трения, которые в общей для них части предусматривают изготовление смеси смазочного масла и металлосодержащей присадки, подачу изготовленной смеси в зону трения и приработку деталей трения в эксплуатационном или близком к нему режиме [4]. При этом в качестве металлосодержащей присадки используют:
- размещаемые в нижней части масляного картера механизма куски сплава олова, сурьмы или висмута в количестве 75,0-96,5% от массы сплава с натрием в количестве 3,5-25,0% от массы сплава, либо сплава олова, сурьмы или висмута в количестве 90,0-98,8% от массы сплава с литием в количестве 1,2-10,0% от массы сплава, а также добавляемые в смазочное масло галоиды, например, йод, бром, хлор или фтор в количестве 0,02-0,08% от массы сплава [SU 152601, 1969];
- состав из порошка меди в количестве 16-20% от массы смеси со смазочным маслом, порошка свинца в количестве 4-6% от массы смеси и порошка политетрафторэтилена в количестве 1-2% от массы смеси [SU 1196552, 1985];
- состав из порошков меди или цинка и абразивных частиц, например, оксида алюминия с дисперсностью до 10 мкм [SU 1668471, 1991].
Данные известные способы, использующие смеси смазочного масла с металлосодержащими присадками, обеспечивают повышение износостойкости поверхности изделий только за счет уменьшения коэффициента трения вследствие либо выравнивания поверхности при заполнении частицами присадки микронеровностей поверхностей трения, либо образования на поверхности химических соединений с высокими антифрикционными свойствами. В ряде случаев это сопровождается образованием на поверхностях трения тончайших пленок, незначительно компенсирующих их износ.
Вместе с тем недостатками указанных технологий являются низкая прочность и коррозионная стойкость получаемых с их помощью поверхностей трения. Кроме того, процесс образования на поверхности трения пленки связан с приработкой в эксплуатационном или близком к нему режиме, что ограничивает область применения указанных известных способов, так как позволяет применять их для целей обработки только поверхностей трения и исключительно при безразборном ремонте механизма.
Известны способы модифицирования и восстановления поверхностей трения с преобладающим содержанием железа, которые обеспечивают получение на поверхностях трения металлокерамического покрытия и в общей для них части предусматривают изготовление мелкодисперсного состава из природных минералов, введение изготовленного состава в органическое связующее, как правило, штатное смазочное масло, размещение смеси состава с органическим связующим в зоне трения и приработку в эксплуатационном или близком к нему режиме [5].
В данных способах в качестве смеси мелкодисперсного состава из природных минералов с органическим связующим используют:
- смесь истертого природного кварца в количестве 0,1-5,0% от массы смеси и органического связующего в количестве 95,0-99,9% от массы смеси [SU 1601426, 1990];
- смесь абразивоподобного порошка со связующим, например, дисперсным стеарином, причем абразивоподобный порошок содержит серпентин в количестве 51-60% от массы порошка, тальк в количестве 20-40% от массы порошка и взятые в равных долях серу, пирротин, энстатит и фаялит в общей сложности в количестве 8-10% от массы порошка [RU 2035636, 1995];
- смесь абразивоподобного минерального порошка с дисперсностью 4-10 мкм, например в количестве 2% от массы смеси, и связующего, например в количестве 98% от массы смеси, причем указанный абразивоподобный минеральный порошок содержит хризотил в количестве 20-40% от массы порошка, каолинит в количестве 40-60% от массы порошка, оксид лантана в количестве 2-4% от массы порошка, оксид иттрия в количестве 2-4% от массы порошка, оксид алюминия в количестве 2-8% от массы порошка и оксид железа в количестве 6-7% от массы порошка [RU 2093719, 1997];
- смесь мелкодисперсного ремонтно-восстановительного состава, содержащего 50-80% от массы состава офита, 10-40% от массы состава нефрита и 1-10% от массы состава шунгита, со штатной смазкой [RU 2135638, 1999].
Как следует из описаний указанных изобретений, в процессе образования металлокерамического покрытия при эксплуатации машины под воздействием трения температура в микрообъемах поверхностей трения достигает значений, при которых в местах контакта происходят реакции замещения атомов магния в узлах кристаллических решеток природных минералов, входящих в применяемый мелкодисперсный состав, на атомы железа из кристаллических решеток стали или сплава из железа, из которых изготовлены поверхности трения. При этом образуются новые гетероатомные кристаллы с более протяженными пространственными структурами, что способствует образованию металлокерамического покрытия, компенсирующего предшествующий износ поверхностей трения. Образованное металлокерамическое покрытие обладает низким коэффициентом трения, высокими износостойкостью и коррозионной стойкостью.
Полученные с помощью указанных известных способов металлокерамические покрытия металлических изделий обладают низкой долговечностью из-за хрупкости и возможного расслаивания, а также неравномерностью толщины и неоднородностью структуры, что вызвано не контролируемым, а самопроизвольным процессом их образования в местах контакта трущихся деталей на этапе приработки в эксплуатационном или близком к нему режиме, не позволяющем получать металлокерамические покрытия с заданными желаемыми параметрами.
Данные металлокерамические покрытия могут быть образованы только на металлических поверхностях с преобладающим содержанием железа, и поэтому упомянутые известные способы не могут быть использованы для создания металлокерамических покрытий на поверхностях деталей, выполненных из других металлов и сплавов.
Кроме того, процесс образования металлокерамического покрытия связан с приработкой в эксплуатационном или близком к нему режиме, что ограничивает область применения указанных известных способов, так как позволяет применять их для целей модифицирования и восстановления только поверхностей трения и исключительно при безразборном ремонте механизма.
Известен способ безразборного восстановления трущихся соединений металлических изделий, согласно которому для повышения износостойкости, долговечности и коррозионной стойкости металлокерамического покрытия изготавливают модифицирующий трущиеся поверхности ремонтно-восстановительный состав на основе порошка с дисперсностью 10-30 мкм из природных минералов или смеси природных минералов, содержащих 40-55 мас.% аморфной двуокиси кремния, и катализаторов на основе шунгита и редкоземельных металлов в количестве 0,02-2,00% от массы ремонтно-восстановительного состава, изготавливают технологическую среду путем смешивания ремонтно-восстановительного состава в количестве 0,15-20,00% от массы технологической среды с жидким органическим связующим, например, с базовым маслом трущегося соединения, подают технологическую среду в зону трения и путем механоактивации технологической среды при эксплуатационной нагрузке формируют покрытия на поверхностях трущихся соединений, восстанавливающие их предшествующий износ [6].
Известен способ нанесения покрытия на поверхности трения, по которому для повышения долговечности покрытия за счет улучшения адгезии с обрабатываемой поверхностью покрытие наносят путем натирания в псевдокипящем слое порошковой твердой смазки типа графита или дисульфида молибдена, причем частицам смазки сообщают колебания ультразвуковой частоты, ориентированные относительно натираемой поверхности в радиальном и тангенциальном направлениях [7].
Данные способы не обеспечивают высокой долговечности покрытия в силу недостаточной адгезии с обрабатываемыми поверхностями.
Известны способы применения серпентинита в качестве антифрикционного средства и средства создания металлокерамического покрытия на поверхности металлических изделий.
Известен способ формирования сервовитной пленки на контактируемых и трущихся поверхностях, заключающийся в том, что для повышения механических свойств пленки, ресурса и надежности трущихся поверхностей между трущимися поверхностями предварительно размещают механоактивированную смесь абразивоподобного вещества со связующим, при этом в качестве абразивоподобного порошка используют природный серпентинит дисперсностью 0,001-1 мкм в количестве 2-40 мас.% [8].
Известен способ формирования сервовитной пленки на трущихся поверхностях, заключающийся в том, что между трущимися поверхностями элементов пары трения размещают предварительно активированную смесь абразивоподобного порошка в органическом связующем, после чего поверхности трения элементов прирабатывают, согласного которому используют активированную смесь, содержащую следующие ингредиенты, мас.%: природный серпентинит 0,5-40,0 (Печенговского месторождения), сера 0,1-5,0, ПАВ 1-40, органическое связующее - остальное, причем перед размещением активированной смеси между поверхностями трения элементов элемент пары трения с большей твердостью вводят в контакт с технологическим элементом с равной или большей твердостью, упомянутую активированную смесь сначала размещают между ними, при этом обрабатываемый элемент намагничивают и подсоединяют к отрицательному полюсу источника тока, а технологический элемент к положительному полюсу, затем упомянутые поверхности трения прирабатывают, после чего технологический элемент заменяют элементом пары трения [9].
4
2
3
2
Известен способ формирования сервовитной пленки на трущихся поверхностях, включающий размещение между трущимися поверхностями состава из размельченного, предварительно механоактивированного абразивоподобного порошка и связующего, согласно которому для повышения износостойкости трущихся поверхностей в качестве абразивоподобного порошка используют природный серпентинит, содержащий, мас.%: MgO, CaO 20-60, SiOAlO 20-60, HO 3-10, примеси пород 3-10, а предварительную механоактивацию производят с пульсацией давления 0,1-1 МПа при 40-100°C, размещение смеси и приработку трущихся поверхностей осуществляют при температуре механоактивации [10].
6
4
10
8
3
4
10
2
3
0,94
0,06
2
4
Общим недостатком, ограничивающим и даже делающим невозможным практическое использование данных решений, является неопределенность минералогического и химического состава «природного серпентинита», поскольку известно, что серпентинит - горная порода, включающая в себя серпентин Mg[SiO](OH) в качестве базового элемента, составляющего не менее 50% от общего объема породы, и другие минералы, в частности тальк MgSiO(OH), пирротин FeS, энстатит MgSiO, фаялит (FeMg)SiO и др., число которых может доходить до 100, без учета «следов» химических элементов. Кроме этого в различных серпентинитах серпентин содержится в различных фазах - антигорита, хризотила, лизордита и др.
2
Входящие в состав серпентинита примеси минералов и элементов, в частности, создают характерный окрас, поэтому только поделочных и облицовочных серпентинитов известны тысячи видов. Подавляющее большинство из природных серпентинитов непригодно для производства добавок к смазочным материалам из-за повышенного наличия абразивов, таких как SiO или других элементов, а также из-за несоответствующего элементного состава или структуры.
Таким образом, используя «природный серпентинит» неизвестного состава можно получить отрицательный результат и даже в отдельных случаях при применении «природного серпентинита» неизвестного состава на технически ответственных объектах обеспечить техногенную катастрофу.
x
y
3
4
2
3
3
4
Известно также, что для производства модифицирующих добавок в составе серпентинита необходимо присутствие минералов с общей химической формулой FeO, как правило, это магнетит FeO, реже - гематит FeO. Однако свободный магнетит FeO - ярко выраженный абразив и его избыток приводит к резкому повышению абразивного износа.
В производстве большинства минеральных модификаторов трения используют серпентиниты определенных известных месторождений, по которым известен состав входящих в них основных минералов и после дробления породы обычно по цвету отбирают наиболее подходящее сырье, имеющее часто, но не обязательно близкие параметры по химическому составу.
Как правило, в состав примесей серпентинита входят такие минералы, как оливин, амфиболы, пирексены, шпинели, тальк и другие. При этом большинство из указанных, находящихся в природных породах примесей минералов запатентовано как специальные добавки к серпентину для улучшения эффективности минеральных модификаторов трения.
2
2
3
2
Известна антифрикционная тонкодисперсная композиция, содержащая, мас.%: 65-95 природного гидросиликата магния (антигорит, серпентин, серпентенит, тальк), 0,5-10,0 оксидов металлов с меньшим сродством к кислороду относительно железа (MnO, ZnO, CoO, AlO, CdO, GeO) и 4,5-25 твердого раствора этих оксидов со структурой граната и/или шпинели (магнитоактивный компонент) [11].
Применение этой композиции в составе жидких и густых смазок в различных узлах трения показывает относительно высокую прочность образующейся на трущихся металлических поверхностях и обеспечивающей снижение износа и повышение срока службы узлов трения сервовитной пленки, но она формируется в течение длительного времени.
Известна антифрикционная порошковая композиция, содержащая, мас.%: 51-60 серпентина, 20-40 талька и 8-10 серы, пиротина, энстатита и фаялита, взятых в равных долях [12].
Данная композиция не обеспечивает высокой прочности и долговечности сцепления формирующейся сервовитной пленки с трущимися металлическими поверхностями узлов трения из-за различия коэффициентов линейного термического расширения данной пленки и материала трущихся поверхностей, а также из-за нестабильности структуры пленки при сравнительно невысоких температурах.
Известны твердосмазочные композиции для тяжелонагруженных узлов трения в виде смеси жидкого или густого связующего и абразивоподобных компонентов, которые применяют в подъемных кранах, оборудовании горнообогатительных комбинатов, в насосном оборудовании газо- и нефтепроводов, автомобильном и железнодорожном транспорте, оборудовании судов и др. Твердосмазочные композиции по сравнению с другими типами смазок в большей степени обеспечивают в узлах трения теплоотвод и уменьшение трения и износа трущихся поверхностей.
6-x
x
4-x
x
10
8
3
4
10
2
3
0,94
0,06
2
4
Известна смазочная композиция для ускоренного формирования сервовитной пленки триботехническим составом, включающия механоактивированно приготовленную смесь абразивоподобного порошка со связующим, в которой для повышения устойчивости сервовитной пленки в качестве абразивоподобного порошка используют состав, содержащий, мас.%: серпентин (MgAl)(SiAl)O(OH) при x=0,75 51-60, тальк MgSiO(OH) 20-40, серу S, пирротин FeS, энстатит MgSiO, фаялит (FeMg)SiO 8-10 (взятые в равных долях), которую предварительно обрабатывают при непрерывном перемешивании сухим насыщенным паром в течение 20-25 мин при 110-115°C.
2
2
3
2
3
Известен способ смазки путем формирования покрытия на трущихся поверхностях, по которому для создания покрытия на трущихся поверхностях состав из мелкодисперсной смеси минералов серпентина, энстатита и магнетита или их сочетания по меньшей мере с одним минералом, выбранным из амфибола, биотита, ильменита, пентландита, пирротина, талька, халькопирита или самородной серы, и связующего дисперсностью 0,01-1 мкм механоактивируют апериодическими колебаниями при соотношении в составе, мас.%: смесь минералов 3,3; связующее 96,7, затем состав размещают между трущимися поверхностями и прирабатывают. Ингредиентное содержание состава следующее, мас.%: MgO 20-35; SiO 30-40; FeO 10-15; FeO 4-6; AlO 3-8; S 2-6; сопутствующие примеси (Ti, V, Mn, Ni, Cr, Cu, K, Ca, Co) до 100 [13].
Известен способ обработки поверхностей металлических деталей для создания металлокерамических покрытий на поверхностях деталей из черных и цветных металлов и сплавов, обеспечивающий получение на поверхностях металлических деталей обладающего высокой долговечностью, равномерностью толщины и однородностью структуры металлокерамического слоя, имеющего заданные желаемые параметры, и позволяющий обрабатывать как трущиеся, так и иные поверхности металлических деталей, который включает изготовление модифицирующего состава на основе смеси измельченных до дисперсности 0,1-10,0 мкм серпентинитов, содержащей 32-45 мас.% кремния, 18-26 мас.% окиси магния, 10-14 мас.% окиси железа и 10-14 мас.% конституционной воды в связанном состоянии, изготовление технологической среды путем смешивания модифицирующего состава с жидким органическим связующим в количестве соответственно 0,5-30,0% и 70,0-99,5% от массы технологической среды, подачу технологической среды на обрабатываемую поверхность детали посредством погружения детали в технологическую среду и механоактивацию технологической среды в течение 5-60 мин ультразвуковыми механическими колебаниями с частотой 22-24 кГц и мощностью 0,1-10,0 кВт [14].
6
4
10
8
3
4
3
7
4
10
8
Известна разработанная ранее авторами настоящего полезной модели нанотехнологическая антифрикционная порошковая композиция (варианты), нанотехнологическая смазочная композиция и способ нанотехнологической смазки в узлах трения различных механизмов и агрегатов, согласно которым для сокращения времени образования сервовитной пленки без предварительной микрошлифовки, снижения трения, повышения износостойкости и ресурса трущихся поверхностей, сокращение расхода горюче-смазочных материалов и электроэнергии при функционировании машин и механизмов, порошковая композиция содержит серпентин Mg[SiO](OH) с вкрапленным магнетитом FeO при соотношении, мас.%: серпентин 65-75, вкрапленный магнетит 20-30, примеси не более 5. Также порошковая композиция содержит серпентин с вкрапленным магнетитом, магнезит MgCO и магнезиально-железистый силикат (MgFe)[SiO](OH) при соотношении, мас.%: серпентин 65-75, магнетит 10-25, магнезит 5-15, магнезиально-железистый силикат 2-7. Серпентин содержится преимущественно в фазе лизардита IT, размер вкраплений магнетита - не более 50-300 нм. Смазочная композиция содержит 0,5-80 мас.% порошковых композиций в связующем. Способ смазки включает размещение между трущимися поверхностями порошковых композиций в связующем [15].
Недостатками данной композиции и данного способа смазки данной композицией являются возможность образования сервовитной пленки только в местах контактов пар трения, произвольность формирования, неравномерность толщины и неоднородность структуры получаемого металлокерамического слоя (сервовитной пленки), невозможность получения металлокерамического слоя с заданными желаемыми параметрами по всей поверхности металлических деталей.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату к предлагаемому полезной модели - прототипом являются металлические изделия, изготовленные способом ультразвуковой обработки металлических поверхностей изделий для создания металлокерамических покрытий на поверхностях деталей из черных и цветных металлов и сплавов и получения обладающего высокими износостойкостью, долговечностью и коррозионной стойкостью металлокерамического покрытия, который включает изготовление мелкодисперсной твердой активирующей среды из смеси измельченных серпентинитов, содержащей 32-45 мас.% кремния, 18-26 мас.% окиси магния и 10-14 мас.% окиси железа, подачу активирующей среды на обрабатываемую поверхность и воздействие на обрабатываемую поверхность посредством акустического инструмента ультразвуковыми механическими колебаниями через слой измельченных серпентинитов. При этом подачу активирующей среды на обрабатываемую поверхность выполняют либо нанесением на обрабатываемую поверхность перед воздействием ультразвуковыми механическими колебаниями слоя измельченных до дисперсности 0,1-10,0 мкм серпентинитов, либо в процессе воздействия на обрабатываемую поверхность ультразвуковыми механическими колебаниями посредством акустического инструмента с рабочей поверхностью, выполненной на основе измельченных до дисперсности 5-50 мкм серпентинитов, причем воздействие на обрабатываемую поверхность выполняют ультразвуковыми механическими колебаниями с частотой 22-24 кГц и мощностью 0,4-10,0 кВт в течение 1-60 мин для каждого квадратного дециметра обрабатываемой поверхности [16].
При изготовлении металлических изделий по данному способу, как и в случае реализации описанных выше известных способов модифицирования и восстановления поверхностей трения с преобладающим содержанием железа, происходят физико-химические процессы, в результате которых на поверхностях трения образуются металлокерамические покрытия, компенсирующие их предшествующий износ. Образованные металлокерамические покрытия обладают низким коэффициентом трения, высокими износостойкостью и коррозионной стойкостью.
Вместе с тем при осуществлении данного способа процесс образования металлокерамического покрытия на этапе механоактивации технологической среды при эксплуатационной нагрузке машины или механизма носит произвольный, неконтролируемый характер, что не позволяет обоснованно и рационально выбирать энергетические и временные параметры режима механоактивации для обеспечения управляемости оказываемого на технологическую среду механоактивирующего энергетического воздействия. Указанное обстоятельство приводит к неравномерности толщины и неоднородности структуры формируемого металлокерамического слоя и вызывает снижение его долговечности вследствие хрупкости и возможного расслаивания, а также не позволяет получать металлокерамический слой с такими заданными желаемыми параметрами, как, например, толщина наращиваемого металлокерамического слоя, глубина его проникновения в обрабатываемую поверхность, степень структурной однородности, шероховатость и микротвердость получаемого слоя. Кроме того, использование для образования металлокерамического слоя подобной активации технологической среды при эксплуатационной нагрузке машины или механизма существенно ограничивает область применения способа-прототипа, так как позволяет применять его для целей модифицирования и восстановления только поверхностей трения и исключительно при безразборном ремонте машины или механизма.
Поэтому недостатками изделий, изготовленных данным способом, являются недостаточная долговечность, неравномерность толщины и неоднородность структуры получаемого металлокерамического слоя, невозможность получения металлокерамического слоя с заданными желаемыми параметрами и ограниченная область применения способа.
a
z
тр
Научными исследованиями авторов заявляемой полезной модели установлено, что наличие в смазочных композициях тонкодисперных абразивных минералов, которых большинство в составе примесей большинства природных серпентинитов, в частности в виде свободного магнетита, при использовании в смазках воздействуют на поверхности трения в качестве тонкого абразива, выполняя по сути функцию микрошлифовки. Такие вещества в случае определенной концентрации вызывают абразивный износ. Действительно указанный процесс микрошлифовки вначале уменьшает параметры шероховатостей поверхностей трения (значения R и R), приводит к первоначальному снижению трения (снижает значение K), снижает энергопотребление, уменьшает шумы и вибрацию, но по истечении определенного времени приводит к резкому ухудшению трибологических параметров, а в дальнейшем даже к поломкам машин и механизмов.
Наличие абразивных составляющих, приводя к микрошлифовке поверхностей трения в случае оптимальной дозировки серпентинитовой добавки в смазочную систему, способно вызвать определенный положительный эффект, например увеличить ресурс подшипников качения до 30%, но в случае передозировки значительно сокращает их ресурс, вызывает заклинивание, способствует образованию задиров.
Как установлено авторами настоящей полезной модели, наличие в трибосистеме абразивных минералов препятствует нанотриботехнологическому процессу образованию зеркал скольжения за счет физико-химических процессов терморазложения серпентина и магнетита, так как абразивные частицы просто удаляют наночастицы с поверхностей триботехнических систем.
Несмотря на заполнение впадин микронеровностей, материалы с абразивом не могут считаться нанотехнологическими, поскольку далеко не любой серпентенит в состоянии обеспечить образование наночастиц и на их основе формирование требуемых сервовитных слоев.
Обычно контроль качества подобных материалов и исходного сырья осуществляется путем получения проб порошков с дальнейшими испытаниями на машинах трения. Данная технология контроля проста по испытанию материалов на их соответствие техническим условиям в плане значений индекса задира и коэффициента трения, но общепринятая технология контроля является упрощенной, она не отражает качества всей партии сырья и у большинства производителей согласно исследованиям экспертов вообще отсутствует входной контроль, а выходной сводится только к гистограммам крупности частиц ММТ, то есть к определению распределения дисперсности части.
Общими недостатками известных решений (аналогов и прототипа) является неопределенность качества изделий из-за нестабильность природного состава материалов композиций, обычного наличия крупноразмерных абразивных материалов, препятствующих тонкому размолу и получению мелкодисперсного порошка.
Цель полезной модели и технический результат
Целью и техническим результатом настоящего полезной модели является повышение равномерности и однородности структуры металлокерамического упрочняющего антифрикционного поверхностного слоя, уменьшение шероховатости поверхности (от микрошлифовки до полировки 10 кл.) и повышение точности изготовления (до 10 класса точности) посредством использования обычного станочного оборудования для обработки металлов резанием съемной оснасткой, закрепляемой в качестве рабочего инструмента.
Раскрытие полезной модели
6
4
10
8
3
4
Поставленная цель полезной модели и требуемый технический результат достигается тем, что композиционное металлическое изделие с металлокерамическим поверхностным слоем, согласно полезной модели содержит антифрикционный и упрочняющий металлокерамический поверхностный сервовитный слой, полученный из серпентина Mg[SiO](OH) с вкрапленным магнетитом FeO с соотношением, мас.%:
серпентин
65-80,
вкрапленный магнетит
20-30,
примеси не более
5.
6
4
10
8
3
4
3
7
4
10
8
или полученный из серпентина Mg[SiO](OH) с вкрапленным магнетитом FeO, магнезита MgCO и магнезиально-железистого силиката (MgFe)[SiO](OH) с соотношением, мас.%:
серпентин
65-80
магнетит
10-25
магнезит
5-15
магнезиально-железистый силикат
2-7
Композиционное металлическое изделие согласно полезной модели может быть изготовлено в виде детали повышенного ресурса, например, гребня колеса колесной пары тележки вагонов железнодорожного транспорта, пальца для машин, механизмов и оборудования горнодобывающей промышленности, штока гидрогасителей вагонов, цевки, коленчатого вала, шейки вала для подшипников скольжения, шаровой опоры.
При этом композиционное металлическое изделие содержит антифрикционный и упрочняющий металлокерамический поверхностный сервовитный слой, изготовленный из серпентина с вкраплениями магнетита размером не более 50-300 нм в фазе лизардита IT.
Кроме этого композиционное металлическое изделие содержит антифрикционный и упрочняющий металлокерамический поверхностный сервовитный слой, изготовленный из серпентина с вкраплениями магнетита, измельченного до дисперсности 1-150 мкм, светлосерого цвета, идентифицирующегося качественной реакцией магнезита с соляной кислотой
Композиционное металлическое изделие может содержать антифрикционный и упрочняющий металлокерамический поверхностный сервовитный слой, изготовленный из серпентина с вкраплениями магнетита при локальном нагреве поверхности изделия до температуры 640-720°C или при локальном нагреве поверхности изделия до температуры 600-900°C и при давлении инструмента на перемещающуюся деталь, например, вращающуюся в токарном станке.
Композиционное металлическое изделие может содержать антифрикционный и упрочняющий металлокерамический поверхностный сервовитный слой, изготовленный из серпентина с вкраплениями магнетита при воздействии ультразвуковых механических колебаний с частотой 20000-30000 Гц или посредством закругленной поверхностью рабочего инструмента или подпружиненным шариком или овалом.
Композиционное металлическое изделие может содержать антифрикционный и упрочняющий металлокерамический поверхностный сервовитный слой, изготовленный из серпентина с вкраплениями магнетита в жидком связующем при соотношении, мас.%:
серпентин с вкраплениями магнетита
0,5-80
связующее
остальное
В качестве связующего при изготовлении антифрикционного и упрочняющего металлокерамического поверхностного сервовитного слоя, из серпентина с вкраплениями магнетита может быть использовано:
смазочное масло, например, моторное, трансмиссионное или индустриальное, компрессорное, гидравлическое;
КИП
нефтяное масло, например, жидкую смесь кипящих при t 300-600°C углеводородов;
синтетическое масло, например, кремнийорганическую жидкость, эфиры фосфорной и адипиновой кислот или полиалкиленгликоль;
пластичную смазку, например, марки Циатим, Литол 24 или «ШРУС»;
солидол, «Пресол М», « Буксол»;
нефтепродукты, например, мазут, бензин, дизельное топливо;
полужидкие смазки, например, «СКП М», «Трасол-200-ПШ», «Редусма»;
полиэфирные или нитро лаки;
жировые и специальные смазки, например, парафины или мастики.
При этом композиционное металлическое изделие может содержать содержит антифрикционный и упрочняющий металлокерамический поверхностный сервовитный слой, изготовленный из серпентина с вкраплениями магнетита после предварительной антикоррозионной обработки поверхности металлического изделия.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена модель процесса обработки поверхности металлического изделия методом ультразвуковой пластической деформации (УЗПД) в присутствии мелкодисперсного серпентина предлагаемого состава с профиллограммами и микроснимками поверхности изделия, где показаны участок сервовитного слоя а - поверхность опытного образца, обработанная ультразвуковой пластической деформацией (УЗПД) в присутствии мелкодисперсного серпентина предлагаемого состава и участок б - поверхность опытного образца после чистовой токарной обработки, F - усилие прижима, S - подача инструмента.
На фиг. 2 представлено фото поверхностного сервовитного слоя а после обработки металла ультразвуковой пластической деформацией в присутствии серпентина предлагаемого состава и исходной поверхности образца б после чистовой токарной обработки резцом
На фиг. 3 показана РЭМ фотограмма морфологии поверхности после ультразвуковой пластической деформации (УЗПД) в присутствии мелкодисперсного серпентина предлагаемого состава, на которой видны затемненные участки с наличием магния и фосфора.
На фиг. 4 показаны снимки планаров участка исходной поверхности б и участка поверхности а, обработанной ультразвуковой пластической деформацией в присутствии мелкодисперсного серпентина предлагаемого состава с получением сервовитного слоя.
На фиг 5 показан характерный спектр затемненных участков внедрения серпентина предлагаемого состава в обрабатываемую поверхность в сервовитном слое, которые соответствуют областям, обогащенным фосфором с содержанием по данным спектра РМА фосфора в затемненной области 1,8% и железа 98,2%.
На фиг. 6 показана морфология стали 45, в области а - в поверхностном сервовитного слоя после обработки ультразвуковой пластической деформацией в присутствии серпентина предлагаемого состава с дисперсностью d~30 мкм, где видно исчезновение кластерной структуры стали и уплотнение материала, и матрица металла с феррит-перлитной структурой в области б.
На фиг.7 показаны характерные спектры поперечного шлифа в модифицированном поверхностном сервовитном слое а после обработки обработанной ультразвуковой пластической деформацией в присутствии серпентина предлагаемого состава и в матрице металла с феррит-перлитной структурой в области б.
На фиг. 8 показаны профилограммы микрогеометрии исходной поверхности участка б образца после чистовой токарной обработки резцом с параметрами шероховатости Ra - 2.04, Rz - 10.58, Rmax - 11.75 µm (6 класс чистоты).
На фиг. 9 показаны профилограммы микрогеометрии исходной поверхности участка б образца после чистовой токарной обработки резцом с тупой режущей кромкой с параметрами шероховатости Ra - 1.32, Rz - 9.55, Rmax - 11.93 (6 класс чистоты).
На фиг. 10 и фиг. 11 показаны профилограммы микрогеометрии поверхности участка а опытных образцов после обработки методом ультразвуковой пластической деформации (УЗПД) в присутствии мелкодисперсного серпентина предлагаемого состава с параметрами шероховатости (фиг. 4) Ra - 0.36, Rz - 3.33, Rmax - 4.20, Lt=4.80 mm (9 класс чистоты) и с параметрами шероховатости (фиг. 5) Ra - 0.45, Rz - 3.85 Rmax - 4.85 µm, (9 класс чистоты).
Осуществление полезной модели
6
4
10
8
3
4
3
7
4
10
8
В отличие от используемой по RU №2415176, 2009 в узлах трения антифрикционной порошковой композиции в виде серпентина Mg[SiO](OH) с вкрапленным магнетитом FeO при соотношении, мас.%: серпентин 65-75, вкрапленный магнетит 20-30, примеси не более 5, или в виде серпентина с вкрапленным магнетитом, магнезитом MgCO и магнезиально-железистый силикатом (MgFe)[SiO](OH) при соотношении, мас.%: серпентин 65-75, магнетит 10-25, магнезит 5-15, магнезиально-железистый силикат 2-7, где серпентин содержится преимущественно в фазе лизардита IT, а размер вкраплений магнетита - не более 50-300 нм, которая в составе смазочных материалов способна образовывать на поверхностях трения локальныей сервовитные антифрикционные пленки только по форме пятен контакта, предлагаемая по полезной модели технология позволяют использовать термонанотехнологический эффект данной композиции совместно с ультразвуковой пластической деформацией при производстве металлических деталей с повышенными антифрикционными, антикоррозионными и прочностными свойствами всей обработанной поверхности
Предлагаемые металлические изделия, изготовленные одновременным применением ультразвуковой пластической деформации и серпентина данного конкретного состава имеют на всей поверхности сплошной равномерный металлокерамический антифрикционный слой в виде сервовитного слоя с упрочняющим и противокоррозионным эффектом, уменьшенной шероховатостью (от микрошлифовки до полировки 10 кл.) поверхности и более высокой точностью изготовления (до 10 класса) можно изготавливать на обычном существующем технологическом станочном оборудовании для обработки металлов резанием со съемной оснасткой, закрепляемой в качестве рабочего инструмента.
Предлагаемые металлические изделия в отличие он аналогов, при изготовлении которых композиции с серпентином в связующем размещают между трущимися поверхностями и где в процессе смазочного процесса сервовитная пленка образуется только на отдельных участках поверхности элементов сопряженных деталей по пятнам трения, согласно полезной модели антифрикционная и упрочняющий сервовитный металлокерамический поверхностный слой расположен по всей поверхности металлического изделия в результате точечного контакта или точечных контактов ультразвукового инструмента с поверхностью изделия (в зависимости от формы наконечника инструмента), которые в процессе перемещения по обрабатываемой поверхности создает условия для образования поверхностного металлокерамического сервовитного слоя по всей поверхности обрабатываемого изделия.
В результате образования равномерного металлокерамического сервовитного слоя по всей обработанной поверхности металлического изделия обеспечивается возможность без предварительной шлифовки и полировки упрочнять поверхностный слой, придавая ему повышенные антифрикционные, антирокоррозионные и противозадирные свойств, улучшая качественные свойства изделий.
Изготовленные таким образом изделия имеют увеличенный ресурс работы, низкий коэффициент трения и повышенную коррозионную стойкость, что приводит в конечном итоге к снижению потребления горюче-смазочных материалов и экономии энергоносителей.
Как видно на фиг 6, в поверхностном сервовитном слое а, в пределах 15 мкм от поверхности, структура металла становится ультрамелкозернистой, увеличивается его плотность, проявляется четкая граница разделения структур уплотненного сервовитного слоя а и матрицы б.
В сервовитном слое а наблюдается сильное искажение границ зерен, а также некоторая вытянутость зерен в направлении обработки, при этом происходит превращение в вытянутую волокнистую структуру с направлением волокон вдоль обработки.
В поверхностном сервовитном слое а наблюдаются субструктурные и фазовые превращения исходной структуры поверхности материала. Пластическая деформация, сочетаясь с ультразвуковым возбуждением кристаллической решетки и особенно дефектной подсистемы, в поверхностном слое а повышает микротвердость более чем в три раза.
2
2
Микротвердость основных фаз и включений упрочненной обработанной поверхности обработанной поверхности стали 45 при нагрузке P=100 г имеет различные значения. Поверхностная микротвердость сервовитного слоя на краю шлифа ≤5 мкм достигает максимального значения Hµ - 750 кг/мм, затем начинает спадать достигая переходного слоя в пределах 10-25 мкм, после переходной зоны значение микротвердости становится равным исходной Hµ ~ 200 кг/мм.
При развитии пластической деформации во время обработки и формирования сервовитного слоя образуются измельченные зерна размером 0.1-0.2 мкм, кристаллы сплющиваются в направлении деформации, образуются упорядоченные структуры волокнистого характера.
Изделия могут использоваться как при сухом трении, так и в среде как обычных смазочных материалов, так и в среде модифицированных антифрикционными порошковыми композициями смазочных материалов, причем, в последнем случае эффект безизносности гарантированно возрастает, так как приводит не только к образованию «зеркал скольжения» в пятнах контакта пар трения, но и способствует процессу самовосстановления сервовитной пленки.
В основе предлагаемой технологии изготовления металлических изделий лежит выявленное авторами свойство сертентина данного конкретного состава к термонаноразложению с совокупностью входящих в него компонентов и преобразование его в процессе ультразвуковой пластической деформации (УЗПД), при точечном нагреве и давлении в химические соединения, образующие на поверхностях металлических изделий сплошной сервовитный металлокерамический слой.
Состав и свойства образующихся в сервовитном металлокерамическом слое химических соединений зависит от температуры, поэтому возможно при практическом использовании полезной модели, регулируя температуру в местах контакта ультразвукового инструмента с изделием получать сплошные сервовитные металлокерамические слои с различными требуемыми свойствами.
Экспериментально установлено, что для эффективного использования серпентина данного конкретного состава в процессе ультразвуковой пластической деформации (УЗПД) и механической обработки необходимо на точечной поверхности металла создавать температуру в диапазоне от 640 до 720°C, что практически вполне осуществимо на пиках микрорельефа после чистовой обработки поверхности изделия обычными способами.
При предлагаемом способе шероховатости поверхности металлического изделия при контакте с ними инструмента создают микролокальный нагрев поверхности изделия. Частицы тонкодисперсного серпентина данного конкретного состава попадающие в локальную зону нагрева и давления вступают в термохимические реакции, избирательно взаимодействуют с друг другом и вакансиями в виде разорванных атомных связей на металлической поверхности изделия. Реакции происходит на микродиапазоне. То есть, когда уровень размерности взаимодействующих частиц ангстремы.
Таким образом, наличие локального трения и локального нагрева поверхности при точечном или линейном взаимодействии перемещающегося инструмента с поверхностью изделия обуславливает образование сплошной поверхностной сервовитного металлокерамического слоя из серпентина предлагаемого состава.
Предлагаемые по полезной модели можно изготавливать на стандартном металлорежущем и металлообрабатывающем оборудовании. Это, прежде всего токарные станки. Деталь, имеющая элементы, предназначенные для создания на ней соотвествующего антифрикционного слоя, например, посадочного места для подшипника скольжения, закрепляют в шпинделе станка.
Инструмент крепят в резцодержатель, что должно обеспечить его конструкция.
Наконечника инструмента может быть с закругленной поверхностью, или в виде подпружиненного шарика или овала, в том числе в качестве инструмента возможно использовать наконечник стриктора электомагнитного колебательного контура, обеспечивающего механические колебания сердечника в пределех 1 -20 мкм с частотой ультразвукового диапазона от 20000 до 30000 Гц.
Технология использования электромагнитного контура позволяет увеличить класс точности изделия, создать условия для образования упрочненного на глубину до 30 мкм поверхностного слоя металла в результате микронаклепа от ударов сердечника и гарантировать чистоту поверхности порядка 10 класса, но это не всегда целесообразно, так как это увеличивает себестоимость изделия.
В некоторых случаях в качестве инструмента может использоваться держатель с роликом (шариком) в том числе с оснащенный нагревательным элементом, а в некоторых случаях, не только металлическим, но и из другого материала, например, войлока.
Возможно также использование устройств, обеспечивающих создание на микроплощади поверхности мгновенных высоких температур посредством электромагнитного, лазерного, плазменнного, ТВЧ или других видов термовоздействия с одновременным обеспечением давления на обрабатываемую поверхность.
В качестве связующего для серпентина данного конкретного состава могут использоваться как жидкие, так и вязкие носители, например, технические масла, как с загустителями, так и без них, но наиболее перспективными являются пластические и полужидкие смазочные материалы.
Технически предлагаемые изделия изготавливаются при взаимодействии вращающейся детали с нанесенным на нее слоем связующего с порошком серпентина данного конкретного состава и перемещающийся суппорт с закрепленным в нем ультразвуковым инструментом или приведенными выше инструментами и устройствами.
Нанесение слоя связующего с порошком серпентина данного конкретного состава возможно производить вручную, обычной кистью, так как экспериментально установлено, что независимо от толщины обмазки образуется пленочное покрытие толщиной порядка 5 мкм независимо от числа повторных обмазок и проходов инструмента. Скорости вращения шпинделя и горизонтальных подач суппорта с ультразвуковым инструментом подбирают под конкретное изделие с учетом возможности обеспечения локального нагрева поверхности изделия до оптимальной температуры и локального давления в точках обработки.
При массовом производстве и необходимости автоматической подачи связующего с порошком серпентина данного конкретного состава в качестве оснастки могут быть изготовлены устройство ракельного типа с регулируемым зазором между ракелем и поверхностью вращения, а также резиновые валы передающие связующее с порошком серпентина данного конкретного состава от устройств, конструктивно аналогичных известным схемам красочных аппаратов ротационных печатных машин классических способов печати (высокой, офсетной или глубокой).
Отличительной особенностью получения антифрикционного и антикоррозионного сервовитного металлокерамического слоя на плоских поверхностях металлических изделий является возможность применения в качестве обрабатывающего оборудования фрезерных и плоскошлифовальных станков, а для сложных видов - координатно-расточных, строгальных и т.п. с закрепленным в них ультразвуковым инструментом или иным инструментом. При этом дополнительно может быть использован также вращающийся ультразвуковой инструмент для ультразвуковой пластической деформации поверхности изделий.
*
Для практической проверки осуществимости и промышленной применимости проведены натурные испытания технологии по полезной модели на кафедре электротермии Технологического университета в Санкт-Петербурге с использованием профилометров «Калибр» и «Калибр», Растрового электронного микроскопа JSM-35CF (ф. JEOL) с рентгеновским микроанализатором энергодисперсионного типа Link 860 (ф. Link), микротвердомера - ПМТ-3.
На профилометре КАЛИБР анализировали замеры микрогеометрии поверхности опытного образца среднеуглеродистой стали после чистовой токарной обработки резцом и после обработки поверхности методом ультразвуковай пластической деформации с порошком серпентина данного конкретного состава с дисперсностью <10 мкм).
Установлено, что поверхность среднеуглеродистой стали после чистовой токарной обработки формирует ~ 5-6 класс чистоты параметры шероховатости: а - Ra - 2.04, Rz - 10.58, Rmax - 11.75 µm; (6 класс чистоты), а после обработки по предлагаемой технологии за один технологический проход обработки поверхности методом ультразвуковой пластической деформации с порошком серпентина предлагаемого состава формируется сервовитный слой с микрогеометрией: а - Ra 0.45, Rz 3.85, Rmax 4.85 - 9 класс чистоты, наблюдается структурное измельчение поверхностного слоя с постоянством волнистости профиля.
Исследовалась также микрогеометрия контактирующих поверхностей обработанных обработки поверхности методом ультразвуковой пластической деформации с порошком серпентина предлагаемого состава для оценки износостойкости в парах трения.
Для формирования электронно-микроскопического изображения (РЭМ-фотограммы использовали сигналы вторичных и отраженных электронов (ВЭ, ОЭ), позволяющие получить соответственно морфологический и композиционный контраст изображения использовали растровый электронный микроскоп JSM-35CF (ф. JEOL) с рентгеновским микроанализатором энергодисперсионного типа Link 860 (ф. Link), с помощью которого была определена толщина модифицированного слоя d≈30 мкм. с включениями кремния, магния, фосфора.
6
4
10
8
3
4
Исследования изменений микротвердости по глубине поверхностного слоя обработанного посредством ультразвуковой пластической деформации (УЗПД) в присутствии мелкодисперсного серпентина Mg[SiO](OH) с вкрапленным магнетитом FeO проводили на микротвердомере ПМТ-3.
Для препарирования образцов их разрезали на отдельные идентичные фрагменты, выбирали одинаковые участки и проводили физико-механические исследования микротвердости.
2
2
Выявлено, что микротвердость основных фаз и включений поверхности опытных образцов существенно различаются. Поверхностная твердость на краю шлифа ~5 мкм сервовитного слоя достигает максимального значения, Hµ - 720 кг/мм затем начинает спадать от ≤25 до 30 мкм до значения в матрице металла Hµ - 200 кг/мм.
Для подтверждения возможности достижения технического результата и промышленной реализации полезной модели в качестве объекта исследования эффективности предлагаемой технологии использовали обычную промышленную углеродистую сталь 45 стандартного химического состава в виде цилиндрического валов диаметром ⌀ 40 мм и длиной L 100 мм
В патрон токарного станка зажимали деталь диаметром 40 мм после чистовой обработки токарным резцом.
В резцодержатель вставляли ультразвуковой инструмент с полированным наконечником из твердотельного сплава ВК-8 (индентор), на который подавали ультразвуковые колебания ω≈22-30 кГц от ультразвукового генератора при прижиме с усилием F≈30 H.
В пространство между инструментом и обрабатываемой поверхностью ст-45 подавался модификатор (порошок серпентинита дисперсностью ≤10 мкм смешанный с ортофосфорной кислотой в пропорции 1 к 3.
Исследования микрогеометрии поверхностей выполняли методом профилометрии на приборе «Калибр» в нескольких точках.
Выявлено, что измеренные геометрические параметры микрорельефа поверхности исходных образцов неоднородны по форме размеров и расположением неровностей с разнообразным отклонениями формы микронеровностей и направлением штрихов.
Измеренные геометрические параметры микрорельефа исходной поверхности опытных образцов (фиг. 2 и фиг. 3) неоднородны по форме размеров и расположением неровностей с разнообразным отклонениями формы микронеровностей и направлением штрихов.
Установлено также, что шероховатость микрорельефа поверхности измеренная на нескольких участках поверхности обработанных образцов также неоднородна по форме размеров и расположением неровностей с разнообразным отклонениями формы микронеровностей и направлением штрихов, но с преобладанием впадин.
Спектр РМА участков внедрения серпентина в поверхность образцов в сервовитном слое соответствует областям, обогащенным фосфором до 1,8% и железа до 98,2%.
Морфология среза стали 45 показывает наличие в глубине металла областей с кластерной феррит-перлитной структурой и поверхностных областей где исчезает кластерная структура стали, что свидетельствует об уплотнении поверхности металла в сервовитном слое.
Установлено также, что в сервовитном слое содержание фосфида железа, повышающего износостойкость, на поверхности обработанного металла увеличивается.
В поверхностном сервовитном слое, в пределах 15 мкм от поверхности, структура металла становится ультрамелкозернистой, увеличивается плотность, проявляется четкая граница разделения структур уплотненного сервовитного металлокерамического слоя и матрицы металла.
В поверхностном сервовитном слое наблюдается сильное искажение границ зерен, а также некоторая вытянутость зерен в направлении обработки, происходит превращение в вытянутую волокнистую структуру с направлением волокон вдоль обработки.
Наблюдаются субструктурные и фазовые превращения исходной структуры поверхности материала. Пластическая деформация, сочетаясь с ультразвуковым возбуждением кристаллической решетки и особенно дефектной подсистемы, в поверхностном слое повышает микротвердость более чем в три раза.
Микротвердость основных фаз и включений упрочненной поверхности обработанной поверхности стали 45 при нагрузке P=100 г имеет различные значения.
2
2
Поверхностная микротвердость на краю шлифа ≤5 мкм достигает максимального значения Hµ - 750 кг/мм, затем начинает спадать достигая переходного слоя в пределах 10-25 мкм, после переходной зоны значение микротвердости становится равным исходной Hµ ~ 200 кг/мм.
При развитии пластической деформации во время обработки образуются измельченные зерна размером 0.1-0.2 мкм, кристаллы сплющиваются в направлении деформации, образуются упорядоченные структуры волокнистого характера.
6
4
10
8
3
4
6
4
10
8
3
4
3
7
4
10
8
Анализ микрогеометрии поверхности опытных металлических деталей после ультразвуковой пластической деформации (УЗПД) в присутствии мелкодисперсного серпентина Mg[SiO](OH) с вкрапленным магнетитом FeO или после ультразвуковой пластической деформации (УЗПД) в присутствии мелкодисперсного серпентина Mg[SiO](OH) с вкрапленным магнетитом FeO, магнезитом MgCO и магнезиально-железистым силикатом (MgFe)[SiO](OH) показывает, что
- наблюдается резкое уменьшение выступов, а также имеет место частичная компенсация мелких впадин обработанной поверхности модификатором;
- на поверхности металла происходит внедрение частиц мелкодисперсного серпентина в поверхность матрицы металла;
- за счет энергии удара ультразвукового инструмента, а также за счет сил трения макрострутура поверхности металла переходит в микроструктуру;
- измельченные зерна, которые теряют исходную форму сплющиваются в направлении деформации с образованием волокнистой структуры,
- наблюдается перенос мелкодисперсных частиц серпентина с поверхности металла на глубину до 30 мкм
Проведенные исследования показали возможность механизации процесса формирования металлокерамического покрытия на поверхности металлических изделий, обеспечивая самые минимальные потери материала формируемого покрытия.
Предлагаемая технология позволяет заменить две конкурирующие технологические операции обработки поверхности металлических изделий - раскатку и полировку.
Установлено, что предлагаемые изделия могут использоваться в качестве пар трения, так как упрочение поверхности происходит с образованием антифрикционных (снижающих силу трения) металлокерамических зеркал скольжения, увеличивающих ресурс пар трения и уменьшающих потребление энергоносителей.
Для практической проверки осуществимости и промышленной применимости были проведены также стендовые испытания гидрогасителей, оборудованных штоками напылением порошка из серпентинита предлагаемого состава в Тверском институте вагоностроения, где проводились работы по совершенствованию серийных конструкций наклонных гидравлических гасителей колебаний.
Стендовые испытания гидрогасителей, оборудованных штоками с напылением порошка из серпентинита предлагаемого состава показали, что:
- в рабочей зоне штока происходят изменения в свойствах покрытия, а также повышение твердости покрытия в среднем на 25%;
- работоспособность буксового уплотнения после испытаний сохраняется;
- обработанные штоки гидрогасителей могут быть рекомендованы для опытной эксплуатации.
Промышленная реализация предлагаемой полезной модели позволяет:
- изготавливать изделия с новыми свойствами на стандартном металлообрабатывающем оборудовании;
- применять технологию сразу после чистовой обработки поверхности изделий без обычной операции шлифовки заменяя ее;
- придавать новым изделиям увеличенный ресурс вплоть до эффекта безъизносности, что доказано на штоках гидрогасителей пассажирских железнодорожных вагонов;
- упрочнять поверхности металлических деталей и придавать им антифрикционные, антикоррозионные и противозадирные свойства;
- использоваться после предварительной обработки поверхностей жидкостями, содержащими металлы, обычно используемые для гальванических покрытий с увеличением антикоррозийной стойкости поверхности изделий;
- заменить обычно используемые антикоррозионные технологии, например, операцию хромирования;
- изготавливать изделия с 10-м классом чистоты поверхности после чистовой обработки;
- изготавливать изделия с 10-м классом точности;
- наносить антифрикционный и антикоррозионный металлокерамический слой на термообработанные детали;
- использовать обычные методы контроля, обычно применяемые в машиностроении.
- применяться при выполнении ремонтных работ, например, при проточке гребней колес вагонных тележек.
Контроль качества изделий по сути не отличается от обычного контроля изделий машиностроительных и ремонтных предприятий и представляет собой это обычные методы визуального и инструментального контроля качества, применяемые на конкретных предприятиях.
Патентуемое в качестве полезной модели металлическое изделие является техническим решением, относящимся к устройству, поскольку оно я является объединенным в единое целое различные средства (слои с различными свойствами, и в результате такого объединения создается новое изделие, части (элементы) которого находятся в конструктивном единстве и функциональной взаимосвязи.
Характерной особенностью предлагаемой полезной модели является наличие конструктивных элементов (слоев с различными свойствами), наличие связи между этими элементами, определенное взаимное расположение элементов, материал, из которого выполнен поверхностный металлокерамический сервовитный слой.
В целом, учитывая новизну и неочевидность полезной модели, показанную в разделе "Уровень техники" и "Сущность полезной модели ", существенность всех общих и частных признаков полезной модели, доказанную в разделе "Раскрытие полезной модели", а также показанную в разделе "Осуществление полезной модели", осуществимость полезной модели и уверенное решение поставленной задачи и достижение технического результата, по нашему мнению, заявленная группа изобретений удовлетворяет всем требованиям охраноспособности, предъявляемым к полезной моделям.
Таким образом, есть все основания утверждать, что полезная модель соответствует всем требованиям патентной охраноспособности, а проведенный анализ показывает, что все общие и частные признаки полезной модели являются существенными, так как каждый из них необходим, а все вместе они не только достаточны для решения поставленной задачи и достижения требуемого технического результата, но и позволяют реализовать полезная модель промышленным способом.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов B.C. Основы расчетов на трение и износ. - М.: Машиностроение, 1977. - 526 с.
2. Рыбакова Л.М., Куксенова Л.И. Структура и износостойкость металла. - М.: Машиностроение, 1982. - 212 с.
3. SU 456704,1975; SU 1720779, 1988: RU 2050222, 1995; RU 2127658,1999.
4. SU 152601, 1969; SU 1196552, 1985; SU 1668471, 1991
5. SU 1601426, 1990; RU 2035636, 1995; RU 2093719, 1997; RU 2135638, 1999
6. RU 2149741, 2000, B23P 6/02, C23C 26/00
7. RU 2100478 C23C 24/04, B22F 7/04, опубл. 27.12.1997
8. RU 2006708, МПК F16C 33/14, опубл. 30.01.1994
9. RU 2059121, МПК F16C 33/14, опубл. 24.04.1994
10. RU 2006707, МПК F16C 33/14, опубл. 30.01.1994
11. RU 2127299, МПК C10M 125/10, опубл. 10.03.1999
12. RU 2035636, МПК F16C 33/14, опубл. 20.05.1995
13. RU 2057257, МПК F16C 33/14, опубл. 27.03.1996
14. RU 2209852 C23C 26/00, B23P 6/02, 10.08.2003
15. RU 2415176 C10M 103/06 C10M 125/26 27.03.2011
16. RU 2209851 C23C 24/04, B23P 9/04, опубл. 10.08.2003 (прототип)