СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ УПРОЧНЯЮЩЕГО ПОКРЫТИЯ
METHOD OF REINFORCEMENT COATING APPLICATION

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для создания изделий с регламентированными свойствами поверхностного слоя.
Известен способ нанесения упрочняющего покрытия путем электромеханической обработки, заключающийся в совместном пластическом деформировании и электрическом воздействии на обрабатываемую заготовку [Патент 2414514 Российская Федерация, МПК C21D7/13, C21D1/40, C21D1/06. Способ электромеханической обработки деталей машин/ Яковлев С.А., Каняев Н.П. - 2009137123/02; заявл. 07.10.2009; опубл. 20.03.2011. - 4 с.].
Известен также электрофизический способ электроэрозионного нанесения упрочняющего покрытия, заключающийся в нанесении твердых сплавов марок ТК и ВК на поверхность деталей машин [Патент 2368471 Российская Федерация, МПК В23Н 9/00, С23С 4/12. Способ упрочнения рабочей поверхности стальных деталей / Берзин М.М. и др. - 2008100024/02; заявл. 10.01.2008; опубл. 27.09.2009. - 7 с.].
Недостатками этих способов являются недостаточная износостойкость покрытия и высокие энергозатраты при нанесении покрытия, а также низкая безопасность операторов при нанесении покрытия.
Известен способ электроискрового нанесения покрытий [Патент 2108212 Российская Федерация, МПК В23Н 1/00. Способ электроискрового нанесения покрытий / Чистяков Ю.Л. - 96104022/02; заявл. 19.02.1996; опубл. 20.04.2002. - 5 с.], заключающийся в сближении электрода-анода и детали-катода с наложением на акустическую систему, на конце которой укреплен электрод-анод, периодических серий колебаний возбуждающего электрического тока таким образом, чтобы на электроде-аноде формировались импульсные ультразвуковые колебания, состоящие из стадий вынужденных и затухающих колебаний. При этом согласуют частоту следования серий колебаний электрического тока с частотой инициирования искровых разрядов, совмещая начало импульсов ультразвуковых колебаний электрода с моментом искрового разряда, а длительность действия импульса, включая обе стадии, вмещают в промежуток между искровыми разрядами. Способ способствует увеличению эрозии электрода, позволяет получать качественный распыл легирующего материала, осуществлять уплотняющее деформирующее действие на наносимый слой покрытия, улучшая диффузионный процесс проникновения легирующих элементов с образованием интерметаллидов и других неравновесных мелкозернистых металлических систем.
Также известен способ нанесения покрытий [Патент 2072282 Российская Федерация, МПК В23Н 9/00. Способ нанесения покрытий / Чистяков Юрий Львович. - 94014489/08; заявл. 16.03.1994; опубл. 27.11.2008. - 4 с.], заключающийся в осуществлении электроэрозионного легирования поверхности вибрирующим электродом и пластического деформирования нанесенного слоя 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 слоя в пластичном состоянии, что позволяет снизить статическое усилие на обрабатываемую поверхность и использовать способ для нанесения покрытий на мелкие детали, например, рабочие поверхности медицинских инструментов.
Однако при нанесении твердосплавных покрытий снижается теплопроводность поверхности, что уменьшает теплоотвод и вызывает перегрев рабочего органа, снижение его твердости и, как следствие, уменьшение износостойкости.
Наиболее близким техническим решением является способ нанесения упрочняющего покрытия с армированным эффектом [Патент 2304185 Российская Федерация, МПК С23С 28/02, B22D 19/08, В23Н 9/00. Способ нанесения упрочняющего покрытия с армирующим эффектом / Смирнов В.Г., Крашенинников Д.А., Мохов В.П., Литвинов А.Н., Астафьев Г.И., Файншмидт Е.М. - 2005134450/02, заявл. 07.11.2005; опубл. 10.08.2007, Бюл. №10. - 6 с.].
Способ заключается в предварительном армировании поверхности твердым сплавом, осуществляемом наплавлением на поверхность, нагретую до температуры плавления.
Однако данная операция приводит к изменению фазового состава поверхности и может способствовать появлению микротрещин, а также увеличивает продолжительность и стоимость обработки.
Техническим результатом изобретения является снижение изнашивания деталей машин за счет повышения твердости поверхности и повышения теплопроводности.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе нанесения упрочняющего покрытия, заключающемся в наплавке слоя твердого сплава на поверхность детали, согласно изобретению наплавку слоя твердого сплава наносят путем электроэрозионного легирования, а на поверхность получившегося покрытия дополнительно наносят слой либо металла, либо его сплава с высокой теплопроводностью, например меди и сплава на ее основе или алюминия и сплава на его основе.
На поверхности наплавляемого слоя создаются каналы высокой теплопроводности. Механизм образования слоя следующий.
При сближении электродов (анода - наносимого материала и катода -обрабатываемой поверхности) происходит увеличение напряженности электрического тока. При некотором расстоянии напряженность становится достаточной для возникновения искрового разряда.
Через канал сквозной проводимости пучок электронов фокусированно ударяется о поверхность анода. Энергия остановленных электронов выделяется в поверхностных слоях анода. Поскольку в этот момент система броском освобождает накопленную энергию, плотности тока значительно превосходят критические значения. В результате от анода отделяется капля расплавленного металла и движется к катоду, опережая движущийся вслед с большой скоростью анод. Капля расплавленного металла в процессе отделения от катода нагревается до высокой температуры, закипает и взрывается.
Так как к этому моменту цепь тока прерывается, исчезают сжимающие усилия электромагнитного поля, частицы расплавленного металла летят широким факелом. Факел частиц, достигнув катода, прилипает и внедряется в его поверхность, цементируя наружный слой наплавленного металла. Вслед за частицами движется электрод, включенный в систему, успевшую вновь накопить энергию, так как источник ее питания продолжает действовать. Поэтому через раскаленные частицы, лежащие на катоде, проходит второй импульс тока, сопровождающийся механическим ударом массы электрода-анода. Второй импульс сваривает частицы между собой и прогревает поверхность катода, на котором они лежат. Происходит диффузия частиц в поверхность катода и химическая реакция между этими частицами и материалом катода. Механический удар проковывает покрытие, увеличивая его однородность и плотность. Затем анод движется вверх, а на катоде остается слой металла, прочно соединенный с его поверхностью.
Так как на поверхности образуется напыленный слой из карбидов вольфрама и титана, а также кобальтовой связки, то твердость его будет соответствовать твердости компонентов по правилу Курнакова Н.С. [Лахтин Ю.М. Материаловедение / Ю.М. Лахтин, В.П.Леонтьева: Учеб. для вузов. - М.: Машиностроение, 1990. - 493 с.].
Твердость поверхности деталей контролировали твердомером Роквеллас нагрузкой 980 Н с закаленным шариком диаметром 1,6 мм. Твердость образцов с покрытием составила 92-96 HRB.
-1
На фиг.1 показана зависимость величины износа кулачка от вида износостойкого слоя (частота вращения 1080 мин, за 4 часа, давление в контакте 1 ГПа).
На фиг.2 показана зависимость износа образцов с упрочняющими слоями от теплопроводности: 1 - Т15К6; 2 - T15K6+Sn; 3 - T15K6+Cu+Sn; 4 - T15K6+Al+Zn; 5 - T15K6+Cu+Al; 6 - Т15К6+Латунь; 7 - T15K6+Zn; 8 - T15K6+Pb; 9 - T15K6+A1; 10 - T15K6+Cu.
Пример осуществления способа.
На кулачок, изготовленный из стали 45 в закаленном и отпущенном (500°С) состоянии, наносили твердый сплав марки Т15К6 ГОСТ 17163-90 толщиной 5-8 мкм, затем наносили слой с высокой теплопроводностью толщиной 1,5 - 4 мкм. В качестве наносимого слоя могут быть использованы медь М0 ГОСТ 859-2001, алюминий АЛ99 ГОСТ 11069-2001, свинец С2 ГОСТ 3778-77, цинк Ц0 ГОСТ 3640-94, латунь ЛС56 - 0,8-1,9 ГОСТ 1020-97, олово O1 ГОСТ 860-75 и их сплавы: медь и алюминий, алюминий и цинк, медь и олово.
Нанесение покрытия производили на установке электроэрозионного упрочнения ЭФИ - 10М при напряжении 220 В и силе тока 2,5-3,5 А. Толщину покрытия контролировали магнитным измерителем МИП - 10. Результаты измерений толщины покрытия приведены в таблице 1.
Таблица 1.
№опыта
Толщина слоя твердого сплава, мкм
Толщина слоя либо металла, либо сплава с высокой теплопроводностью, мкм
1
5,40±1,02
-
2
5,40±1,02
1,80±1,41
3
5,60±1,28
2,80±1,66
4
4,40±0,54
2,80±1,16
5
5,00±0,63
3,00±1,41
6
4,40±0,54
3,60±0,40
7
5,00±0,63
3,00±1,09
8
5,00±0,63
3,80±1,67
9
4,80±0,40
3,80±1,67
10
5,60±1,28
3,40±1,41
Проводили измерение теплопроводности кулачка со слоем косвенным способом, используя методику, приведенную в [Лившиц Б.Г. Физические свойства металлов и сплавов / Б.Г.Лившиц, B.C.Крапошин, Я.Л.Линецкий. - М.: Металлургия, 1980. - 320 с.].
Результаты испытаний приведены в таблице 2.
Таблица 2.
№ опыта
Состав слоя с высокой теплопроводностью, покрывающего деталь
Теплопроводность кулачка, покрытого слоем с высокой теплопроводностью, Вт/см·К
1
Т15К6
0,46
2
Т15К6+олово
0,40
3
Т15К6+медь+олово
0,45
4
Т15К6+алюминий+цинк
0,47
5
Т15К6+медь+алюминий
0,57
6
Т15К6+латунь
0,47
7
Т15К6+цинк
0,47
8
Т15К6+свинец
0,49
9
Т15К6+алюминий
0,46
10
Т15К6+медь
0,59
Испытания на износ проводили на установке возвратно-поступательного трения на базе токарно-винторезного станка 1К62 с применением известной противоизносной смазочной композиции, содержащей мыльную пластичную смазку противоизносной и противозадирной присадками, порошком меди и тальком при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Порошок меди
1÷10
Тальк
1÷10
Мыльная пластичная смазка
до 100
[Патент 2264436 С1 Российская Федерация, МПК С10М 125/00, С10N 30:06. Противоизносная смазочная компазиция / Шаров Е.В., Макаров Ю.Ф., Можин Н.А. - 2004113007/04; заявл. 27.04.2004; опубл. 20.11.2005. - 5 с.].
Установлено, что зависимость износа от теплопроводности покрытия не носит монотонного характера (фиг.2). Экспериментальные данные показали, что чем выше теплопроводность, тем ниже величина износа детали (фиг.2).