СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПОКРЫТИЙ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ ИЗ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
METHOD OF FORMING COATINGS SURFACES OF PARTS MADE IN METALS AND ALLOYS

Изобретение относится к способам обработки поверхностей, в частности к способам формирования покрытий с использованием порошковых материалов.
Известны ряд способов формирования покрытий из порошковых минеральных материалов на поверхностях деталей. При способе, указанном в SU 1601426 [1], из определенного количества природного истертого кварца и синтетического солидола образуют смесь. Подвергают ее механоактивации. Готовую смесь вводят в зону трения и проводят приработку при определенных режимах. Формирование сервовитной пленки при этом осуществляется под давлением в зоне контакта из находящегося в этой зоне контакта минерального материала. Дисперсность кварца составляет 0,1-5 мкм, а процентный состав смеси: кварц - 0,1-5% по массе.
Известен способ, описанный в RU 2043394 [2], при котором природная минеральная смесь со сложным составом в количестве 0,5-2,0 массовых % и связующее в количестве 98,0-99,5 массовых % помещают между трущимися поверхностями, получая таким образом покрытие. Связующим в этом случае выступает любая пластическая смазка, масло, вода и др. дисперсионная среда.
3
Известен способ геоэнергетической интенсификации массообменных процессов (и состав для геоэнергетической интенсификации массообменных процессов) [3], при котором покрытие формируется в зоне контакта двух поверхностей при введении в масла и смазки состава, заключающего в себе кварцеобразующие и кварцесодержащие горные породы дисперсностью 95% не более 15 мкм и 5% не более 30 мкм, со средней величиной энергетической стабильности 82 кДж/см, магнитной восприимчивостью кварцесодержащих пород 0,003-0,009 и кварцеобразующих пород 0,20-0,25 в количестве от 0,1 до 5 массовых %, а масла и смазки - остальное.
При таких способах получают следующие средние результаты:
- толщина покрытия - 0,005-0,04 мм;
- коэффициент использования минерального материала - 0,1-0,3;
Первым недостатком указанных способов является то, что состав, вводимый в зону контакта трущихся поверхностей, в открытых системах не задерживается в этой зоне и быстро удаляется из нее. Это приводит к большим невосполнимым расходам минерального материала. Объем (масса) подаваемого минерального материала больше, чем объем (масса) минерального материала в покрытии почти в 10 раз. Вторым недостатком является необходимость дополнительных устройств для подачи материала в зону контакта или осуществления этой операции вручную, что создает дополнительную трудоемкость и неудобства при крупносерийном и массовом производстве.
Следующим шагом в технологии формирования покрытий является способ, предложенный в RU 2210626 [4]. Способ реализуется при изготовлении деталей на станках. В этом способе первый слой покрытия наносят плазменным напылением или электроискровым легированием, что позволяет создать пористую или сильно шероховатую поверхность, на которую наносят нужный слой мелкодисперсного минерального материала и производят его последующую обработку ультразвуком. При этом наносимый слой минерального материала удерживается в открытых порах и неровностях первого слоя покрытия.
Однако и при этом методе расход минерального материала по массе до 4 раз больше, чем требуется для формирования покрытия нужной толщины, а подача материала в зону контакта инструмента с поверхностью также осуществляется ручным способом.
Более совершенным является способ, предложенный в RU 2262553 [5].
При этом способе формирования покрытий поверхностей деталей из металлов и сплавов порошок кристаллических материалов дисперсностью 0,1-50 мкм смешивается с клеем и полученный состав намазывается в количестве, соответствующем требуемой толщине покрытия на поверхность детали, после чего после засыхания нанесенного состава подвергается обработке давлением путем приложения статического и (или) динамического давления с одновременным пластическим деформированием поверхностных слоев путем перемещения рабочей поверхности инструмента относительно детали при вращательном или поступательном движении детали. При этом расход материала составляет 1,07…1,1 от количества материала в поверхности, а коэффициент использования материала, соответственно, 0,93…0,91. Однако и здесь предусматривается операция по разведению расходного материала с клеем и операция намазывания поверхности полученным раствором. Подобные операции не удовлетворяют условиям крупносерийного механизированного производства.
Таким образом, из описания приведенных аналогов видно, что, хотя по характеристике использования минерального материала они в последнем случае и приближаются к 1, однако по степени механизации и автоматизации не удовлетворяют требованиям крупносерийного и массового производства.
В качестве прототипа выбран способ формирования покрытия по RU 2262553. В прототипе порошок кристаллических материалов дисперсностью 0,1-50 мкм смешивается с клеем и полученный состав намазывается в количестве, соответствующем требуемой толщине покрытия на поверхность детали, после чего после засыхания нанесенного состава подвергается обработке давлением путем приложения статического и (или) динамического давления с одновременным пластическим деформированием поверхностных слоев путем перемещения рабочей поверхности инструмента относительно детали при вращательном или поступательном движении детали. При этом расход материала составляет 1,07…1,1 от количества материала в поверхности.
Как и предыдущие аналоги, прототип имеет те же недостатки - большой расход минерального материала и ручные операции при формировании покрытия.
В основу изобретения ставится задача обеспечить расход минерального материала по отношению к его количеству в покрытии, примерно равным единице, и возможность постоянной подачи расходного материала в зону контакта, устраняющую необходимость ручных операций.
Технический результат - практическое соответствие расхода минеральных материалов объему материала в покрытии и исключение ручных операций при его нанесении на поверхность - достигается при формировании покрытия на поверхностях металла или сплава при обеспечении массопереноса материала со стержня на поверхность детали в условиях давления стержня на поверхность детали с минимальным уносом материала и установке спеченного стержня в прижимное устройство на суппорте станка.
Технический результат обеспечивается тем, что в способе формирования покрытий поверхностей деталей из металла или сплава предварительно формируют стержень для напрессовки путем спекания порошка минерального материала дисперсностью 0,1-50 мкм со связующим, температура плавления которого ниже точки первого структурно-фазового перехода у выбранного материала, спеченный стержень прижимают к поверхности детали посредством прижимного устройства с давлением, обеспечивающим массоперенос минерального материала со стержня на поверхность, а перенесенный на поверхность детали материал впрессовывают ультразвуковой установкой или роликом, устанавливаемыми совместно с прижимным устройством для стержня на суппорте станка таким образом, чтобы при движении детали стержень находился перед ультразвуковой установкой или роликом, с одновременным пластическим деформированием поверхностных слоев, путем перемещения поверхности детали относительно инструмента при вращательном или поступательном движении детали, а при получении стержня используют связующее, содержащее вещества, не разъедающие материалы детали и покрытия.
При этом обеспечивается подача нужного количества минерального материала на поверхности детали без применения ручных операций во время обработки детали и практическое соответствие расхода минерального материала его количеству в поверхности.
Примеры конкретной реализации:
Пример 1. Стержень формировался из серпентинита (Уральские месторождения). В качестве связующего при спекании стержня использован стеорат цинка.
Покрытие наносилось на четыре оси разного диаметра: 20, 40, 60 и 80 мм из материала сталь 45 нормализованная.
2
Каждая поверхность предварительно была отшлифована до 7-8 класса шероховатости при одинаковых режимах. Минеральное покрытие во всех случаях наносилось посредством прижатия спеченного стержня с силой 10-12 кгс. Давление прижатия спеченного стержня - 25 кгс/см. Ультразвуковая головка устанавливалась с поворотом на 180° относительно стержня и передвигалась вместе с ним по поверхности. Частота вращения - 160 об/мин, подача 0,072 мм/об. Сила прижатия ультразвуковой головки - 2-3 кгс.
Твердость частиц исходного материала - 320-370 HV. Твердость исходного материала - 240-270 HV. Твердость покрытия 360-420 HV. Наличие покрытия диагностировано по увеличению твердости поверхности. В результате организованного процесса массопереноса со стержня на поверхность детали при его прижатии к поверхности расход минерального материала по отношению к количеству минерала в покрытии, определенный по износу стержня, составил 1,007. Параметры геометрии полученной поверхности приведены в таблице 1.
Таблица 1.
Параметры шероховатости поверхности осей из стали 45 в исходном состоянии и с минеральной поверхностью.
Диаметр оси, мм
Параметр Ra
Шлифованная поверхность
Покрытие
20
0,60-0,76
0,43-0,47
40
0,49-0,94
0,42-0,59
60
0,58-0,73
0,49-0,77
80
0,54-0,83
0,41-0,46
Пример 2. Аналогичным способом покрытие наносилось на образцы из алюминиевого сплава АК-4.
Стержень формировался из серпентинита (Уральские месторождения). В качестве связующего при спекании стержня использован клей ХКС ТУ 6-15-856-93. Стержень был выполнен с несколько большим диаметром, нежели в примере 1.
2
Использовано два круглых образца диаметром 20 и 40 мм. Каждая поверхность предварительно была обработана до 6 класса шероховатости при одинаковых режимах. Минеральное покрытие во всех случаях наносилось посредством прижатия спеченного стержня с силой 10-12 кгс. Давление прижатия спеченного стержня - 20 кгс/см. Ультразвуковая головка устанавливалась с поворотом на 180° относительно стержня и передвигалась вместе с ним по поверхности. Частота вращения - 120 об/мин, подача 0,056 мм/об. Сила прижатия ультразвуковой головки - 2-3 кгс.
Твердость частиц исходного материала - 320-370 HV. Твердость исходного материала - 60-80 HV. Твердость покрытия 120-150 HV. Наличие покрытия диагностировано по увеличению твердости поверхности. В результате организованного процесса массопереноса со стержня на поверхность детали при его прижатии к поверхности расход минерального материала по отношению к количеству минерала в покрытии, определенный по износу стержня, составил 1,008. Параметры геометрии полученной поверхности приведены в таблице 2.
Таблица 2.
Параметры шероховатости поверхности образцов из сплава АК-4 в исходном состоянии и с минеральной поверхностью.
Диаметр образца, мм
Параметр Rz
Обработанная поверхность
Покрытие
20
6-10
2-3
40
6-11
2-4
Приведенные примеры показывают, что заявленный способ позволяет механизировать процесс формирования покрытия на деталях, обеспечивая самые минимальные потери материала формируемого покрытия.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. SU 1601426. Способ формирования сервовитной пленки на трущихся поверхностях и состав для формирования сервовитной пленки на трущихся поверхностях. 23.10.90. Бюл. №39.
2. RU 2043393. Твердосмазочное покрытие. 10.09.95. Бюл. №25.
3. RU 2129461. Способ геоэнергетической интенсификации массообменных процессов. 27.04.99.
4. RU 2210626. Способ формирования антифрикционных покрытий на металлических поверхностях пар трения. 20.08.03. Бюл. №23.
5. Патент RU 2262553. Способ формирования минеральных покрытий поверхностей деталей и сплавов.