Способ упрочнения поверхности металлических изделий

Способ упрочнения поверхности металлических изделий

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4901525/02 (22) 10.01.91 (46) 30.09.92. Бюл. М 36 (71) Центральный научно-исследовательский технологический институт (72) В.А.Королев, В.Ф.Слезка, Ю.А.Слепенков, А.В.Кулемин, Л.А.Герасимова, В.И.Мушка, В.А.Седов, В.П.Белунин, B.Ã.Ïó÷êoâ и B.Ï.Ñóøêîâ (56) Авторское свидетельство СССР

М 1354717, кл. С 21 D 7/02, 1985. (54) СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ (57) Использование: изобретение относится к обработке металлов поверхностным пластическим деформированием и может быть использовано в машиностроении и металлургии при изготовлении различных изделий, в том числе режущего инструмента, рабочих элементов деталей штампов и форм литья под давлением. Сущность изобретения: изделия и стальные шарики помещают в замкнутую рабочую камеру с газовой среИзобретение относится к области обработки металлов поверхностным пластическим деформированием и может быть использовано в машиностроении и металлургии при изготовлении различных изделий, в том числе режущего инструмента, рабочих элементов деталей штампов и форм литья под давлением.

Известен способ обработки поверхности металлических изделий, включающий помещение в замкнутую рабочую камеру изделия и стальных шариков, приведение их в движение ультразвуковым полем, созданным в рабочей камере при колебании стеЫ2 17о5207 Al (э1)э С 21 0 7/06, С 23 С 10/00 дой, в которой возбуждается мощное ультразвуковое поле, наряду со стальными шариками в камеру помещается и порошок легирующего вещества массой m= 4 (10—

-10 )Мд p>/Dpo Яп, Il2 р /Зж,г где d— средний диаметр частиц порошка,pi и роплотности соответственно материалов порошка и шариков, f0 — частота и амплитуда колебаний, oo,д — предел текучести материала изделия, М вЂ” масса шариков, обработку осуществляют одновременно шариками и частицами порошка, а заканчивают ее по истечении времени т=(1,7(10 — 10 )(S1+

+Во)! /fî 4а —, где So — внутренняя плобР1

m щадь камеры, S> — площадь обрабатываемой поверхности изделия, L- максимальное расстояние от стенки камеры до изделия. В качестве легирующего вещества использу- ют порошок карбонила молибдена или дисульфид молибдена. 1 ил., 7 табл. Ъ нок, с целью упрочнения поверхности (а.с. IM

М 456704, кл. В 23 0 1/18, 1971). 1 )

Недостатком способа является отсутствие регламента на массу шарикбв и поэтому при обработке получается недостаточная твердость поверхности и малая ее изнбсоСТОЙКОСТЬ.

Этот недостаток частично исключается в способе по а.с. hb 1354717, кл. C 21 D 7/02, 1986, в котором как и в первом способе изделие и шарики помещают в замкнутую рабочую камеру, приводят в движение шарики ультразвуковым полем, создаваемым в рабочей камере при колебаниях стенок

1765207

-10

25

55 камеры, а обработку проводят общей массой шариков: V> — ЧЯ D

К 3m где V> — объем рабочей камеры;

Чг — объем изделия, находящегося в камере;

0 — диаметр шариков;

gm — амплитуда смещения колебаний стенок камеры;

К вЂ” (1,7 — 2,3) 10 см /г — коэф, пporiopцио нал ьности (прототип).

Способ позволяет оптимизировать режим обработки, т.е. добиться максимальной интенсивности упрочнения и твердости поверхности. Однако, износостойкость паве >хности, обработанной по этому способу, остается недостаточно высокой.

Цель изобретения — повышение износостойкости путем одновременного пластического деформирования и диффузионного массопереноса в поверхностный слой атомов легирующего вещества.

Поставленная цель достигается тем, что в способе, включающем помещение в замкнутую рабочую камеру с газовой средой изделия и стальных шариков, приведение в движение шариков до столкновения с обрабатываемой поверхностью изделия с помощью ультразвукового поля, создаваемого в рабочей камере при колебаниях ее стенок с заданной амплитудой смещения, окончание обработки по истечении заданного вре.мени; при этом выборе общей массы шариков, равной

„„V) — Чг

m в рабочую камеру дополнительно помещают порошок легирующего вещества массой

m = 4(10 — 10 )М О fgm 2ро/Зй),г, г з с Р1 (1) где d — средний диаметр частиц порошка; р1 иро - плотности, соответственно, материалов порошка и шариков; f< — частота колебаний; (@,г — предел текучести материала изделия; обработку осуществляют одновременно шариками и частицами порошка и заканчивают ее по истечении времени

z = 1,7(10 — 10 ) — — г — - -, (2) где So — внутренняя площадь камеры;

$1 — площадь поверхности изделия или его части, находящейся в рабочей камере, L — максимальное расстояние от стенки камеры до изделия.

При этом обработку ведут порошком иэ карбонила молибдена или дисульфида молибдена.

В процессе обработки возможен подогрев среды рабочей камеры путем поддува в нее нагретого газа.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображена схема устройства для осуществления предлагаемого способа, Здесь 1 — магнитострикционный ультразвуковой преобразователь, 2 — ступенчатый концентратор, 3 — рабочая камера, 4 — изделие, 5 — стальные шарики, 6 — частицы порошка.

При возбуждении колебаний торца концентратора при амплитудах смещения 50—

100 мкм в рабочей камере возникают мощные радиационные давления и акустические потоки, которые поднимают частицы . порошка и стальные шарики, Касаясь колеблющейся стенки волновода частицы и стальные шарики получают скорость V = 4лг," А и затем удаляют по обрабатываемой поверхности изделия. При ударах шариков, под которыми в это время находятся частицы порошка, по поверхности происходит диффузионный массоперенос атомов порошка в поверхностный слой изделия, в данном случае, одновременно, молибдена и углерода.

30 Диффузионный массоперенос атомов обусловлен двумя причинами: с одной стороны при ударах шариков выделяется тепло в локальных местах и образуется большой градиент температур, что значительно ускоряет

35 диффузию; с другой стороны при ударах образуются большие акустические давления в материале изделия, что также приводит к значительному ускорению диффузии, Нами установлено, что для того чтобы

40 подкаждымударомшарикаоказывалосьдостаточное число частиц порошка, необходимо, чтобы за время обработки тобр частицы порошка покрыли поверхность 10" — 10 раз.

Время такой обработки определено нами

45 как тибр = 1,7 (10 — 10 ) - — (3)

m m

Если обработку осуществлять в течение времени меньшего, чем (2), то недостаточ50 ноечислочастиц порошка проникает в поверхностный слой и износостойкость поверхности будет низкой, Если же время обработки будет больше, чем (2), то происходит перенаклеп (шелушение) поверхности и износ резко увеличится.

Время, за которое шарики полностью пластически продеформируют всю обраба1765207 тываемую поверхность, установлено нами в виде

16D Рофд2п г2ро73д)д где n — число шариков.

Из (3) и (4) и учитывая, что масса шариков М = п 1/6 лЩоо, а также то, что время покрытия порошком поверхности 10 -10 раз и время ее пластической деформации должны быть равны, то получим соотношение между массой порошка и массой шариков в виде (1).

Если масса порошка будет меньше величины, определенной по (1), то поверхность недостаточно плотно покроется порошком, концентрация атомов в поверхностном слое будет недостаточной и износостойкость уменьшится. Если же масса порошка будет больше величины, определенной по (1), то частицы порошка будут покрывать плотным слоем поверхность изделия и демпфировать удары шариков, вследствие чего не будет достаточной пластической деформации и проникновения атомов порошка вглубь поверхностного слоя, что в конечном счете приводит к уменьшению износостойкости. Соблюдение условий, определенных выражениями (1) и (2), т.е. выбор времени обработки и массы порошка позволяет получить хоро. шее качество поверхности и существенно повысить ее износостойкость.

Выбор порошков дисульфида молибдена и карбонила молибдена для насыщения поверхности обусловлено их достаточно хорошими свойствами, высокой температурной устойчивостью и благоприятным влиянием молибдена в сочетании с углеродом на структуру, механические и эксплуата цион н ые характеристики сталей.

Пример. Проводилась обработка образцов из сталей 45 и Р6М5. Размеры образцов — 55x10x5 мм. Образцы предварительно проходили следующую термообработку: сталь; 45 — закалка с 830 С в воде + отпуск при 200 С sтечение 1,,5 час.; сталь

Р6М5 — закалка с 1230 С в масле+ 3-кратный отпуск каждый по 1 часу при 550 С.

Образцы из сталей 45 и Р6М5 после термической обработки характеризовались, соответственно, следующими свойствами: 1400 и (3300) МПа — oo,г (а„зл. ); 51 и 64 HRC; 0,30 и 0,32 МДж/мг.

Режимы ультразвукового упрочнения были следующими: амплитуда смещения (m =0,006 см; диаметр шариков D=0,23 см; оптимальная масса шариков, определенная по аналитическому выражению составляла

M=3,45 г; частота колебаний fa = 18 кГц;

Таким образом, способ позволяет в зависимости от размеров изделия, свойств его материала, размеров тел, акустических параметров определять режимы обработки: время обработки и массу загружаемого порошка. Обработка, при определенных таким площадь рабочей камеры S<> = 14 см; плог. г. щадь обрабатываемой части образцов $1 =

=4 см; расстояние образца до излучающей поверхности L = 1,0 см; диаметр частиц по5 рошка d = 50-70 мкм. Использовались порошки дисульфида молибдена и карбонила молибдена.

Остальные параметры были следующими:

10 ро = 7,8 г/см, р1= 10,2 г/см .

В процессе обработки изменялась масса засыпаемого в рабочую камеру порошка, рассчитываемая по выражейию (1) и изменялось время обработки рассчитываемое по

15 выражению (2). После обработки измерялся износ поверхности по следующей методике: испытания выполнялись на строгальном станке мод.7635 при возвратно-посту- пательном движении. Контр-образцом

20 служил образец 65х10х10 из стали ШХ15 с твердостью 62 HRC. Испытания проводились со смазкой машинным маслом при нагрузке 150 кг. Перед испытанием образцы промывались в бензине и ацетоне, а затем

25 взвешивались на аналитических весах

ВЛА — 200 г. Приработка образцов проводилась в течение 2,5 ч. После приработки образцы снимались, промывались и взвешивались; также взвешивание прово30 дилось после окончания испытаний. Износостойкость оценивали по потере исследованных образцов в весе. До и после испытаний проводились замеры твердости, линейных размеров, шероховатости повер35 хности (на профилографе-профилометре) исследованных образцов. Контактная площадь соприкосновения исследованных образцов с контр-образцом составляла 10х10 мм.

40 Расчеты по выражениям (1) и (2) при указанных выше параметрах обработки для стали 45 и стали Р6М5 дают, соответственно массу порошка и время обработки;

m < = 0,1-1,0 г; т = 14-140 с; вг = 0,0845 0,8 г; гг = 18 — 180 с.

Результаты экспериментальных данных представлены в табл.1 — 7.

Из табличных данных видно, что эксперименты подтверждают расчетные зависи50 мости, т.е. положительный эффект достигается именно в интервале m ur определяемых выражениями (1) и (2).

1765207 ры;

М= 0

Таблица 1

Зависимость износостойкости стали 45 от массы порошка дисульфида молибдена в рабочей камере У3-й обработки. 8ремя обработки 120 с

Иасса порошка дисульфида молибдена, г

0,05

Обработка по предлагаемому способу

0,1 0 5 1,0 2,0 оптимальный вариант, соответствующий выражению (1) Потеря массы, г

104

36,0

12,0 . 10,5 12,7 38,0

Обработка по прототипу без порошка

Потеря массы, r

10т образом режимах, позволяет получитьоптимальные свойства изделия......,- -, Аналогичные исследования были проведены для стали Х12М, используемой для изготовления штампов холодной штамповки и стали 4Х5МФС, применяемой при изготовлении оснастки и пресс-форм за счет уменьшения износа увеличилась в 2-4 раза.

Предлагаемый способ по сравнению с прототипом позволяет повысить износостойкость стали в 2 — 3 раза.

Проведенные патентные исследования и анализ известных в науке и технике технических решений позволяет сделать вывод о соответствии предложенного способа критерию "существенные отличия".

Формула изобретения

1. Способ упрочнения поверхности металлических изделий, преимущественно пресс-форм, штамповой оснастки и режущего инструмента, включающий помещение в замкнутую рабочую камеру с газовой средой изделия и стальных шариков, приведение в движение шариков до столкновения с обрабатываемой поверхностью с помощью ультразвукового поля, создаваемого в рабочей камере при колебаниях ее стенки с заданной амплитудой смещения, окончание обработки по истечении заданного времени, при этом обработку осуществляют общей массой шариков где V1 — объем рабочей камеры;

V2 — объем части изделия, находящейся в камере; ф» — амплитуда смещения стенки камеD — диаметр стальных шариков;

К= (1,7-2,3) .10 см /к — коэффициент

5 пропорциональности, отличающийся тем, что, с целью повышения износостойкости путем одновременного деформирования и диффузионного массопереноса в поверхностный слой

10 атомов легирующего вещества, в рабочую камеру дополнительно помещают порошок легирующего вещества массой

m = 4(10 — 10 ) М вЂ” - fgm 12РЬ/31Ьг

Ор, 15 где d — средний диаметр частиц порошка;

Р1 И Ро- ПЛОтНОСтИ СООтВЕтСтВЕННО Материалов порошка и шариков;

f0 — частота колебаний; оО2 — предел текучести материала изделия, обработку осуществляют одновременно шариками и частицами порошка, а заканчивают ее по истечении времени.

7 1ф 104) SP S1 . ф 1

m где $о — внутренняя площадь камеры;

S1 — площадь поверхности изделия;

L — максимальное расстояние от стенки камеры до изделия.

2. Способ по п1, отл ич а ю щи йс я тем, что обработку ведут порошком карбонила молибдена.

3, Способ по п.1, отличающийся

35 тем, что обработку ведут порошком дисульфида, молибдена.

1765207

Табли ца 2

Зависимость износостойкости стали Р6М5 от массы порошка дисульфида молибдена в рабомей камере У3-й обработки. Время обработки 150 сек

Обработка по предлагаемому способу

Масса порошка 0,01 дисульфида молибдена, г

Потеря. массы„ г

10 4 5„8

5,5

2,2

2,0

1,9

Потеря массы, г

10" 4

Обработка по прототипу без порошка

5,7

Таблица 3

Зависимость износостойкости стали 45 от массы порошка карбонила молибдена в рабочей камере У3-й обработки. 1 м 150 сек

Обработка по предложенному способу

005 О1 05 10 20 оптимальный вариант, соответствующий выражению (1) г

36 0,75 0,72 0,78 35,8

Потеря массы, i0 4

Потеря массы, г

10-4

Обработка по прототипу беэ порошка

Таблица 4

Зависимость износостойкости стали Р6И5 от массы порошка карбонила молибдена. ь = 150 с

0,4 0,8

2,0

0,04 0,08

Обработка по предложенному способу

Потеря массы, r

Потеря массы, r

10 -4

О 5 О 47 О 52 ? 3

7,5

Обработка no прототипу беэ порошка

7,0

Та бли ца 5

Зависимость износостойкости стали >5 от времени обработки.

Масса порошка карбонила молибдена m 0,4 r

Обработка по пред- Время обработки, 5 14 лагаемому способу с

120 140 200

С порошком карбо" нила молибдена

Потеря массы в г

10 4

0,8

0,7

0 9

Потеря массы в r

10-4

Зависимость износостойкости стали дисульфида молибдена m = 0,5

Время обработки, с

» «» «

Потеря массы в r

10 4

2,5 2,0

6,0

2,5

5,7

Потеря массы в г

10 4

5,7

Обработка по прототипу, время не регламентированное

Обработка по предлагаемому способу .с порошком дисульфида молибдена

Обработка по прототипу, время не регламентированное

Масса порошка карбонила молибдена

Масса порошка карбонила молибдена

0,08 0,4 0,8 2,0 оптимальный вариант, соответствую щий выражению (1) ««

Таблица 6

Р6М5 от времени обработки, Масса порошка

18 150 180 220 оптимальный вариант соответствующий выражению (2) 1765207

Таблица 7

Зависимость износостойкости стали 45 от времени обработки. Масса дисульфида молибдена m 0,5 г

15 120, 140 оптимальный вариант

200

Время обработки, с

36,0

Потеря массы, г

10-4

38,0

12,0 10,5 12,7

Потеря массы, r

Таблица 8

Зависимость износостойкости стали Р6М5 от времени обработки. Масса карбонила молибдена ш 0,4 r

20 150 180 оптимальный вариант

200

Время обработки, 10 с

Потеря массы, r

10-4

0,6

0,5 0,4

7,3

7,5

Потеря массы, r

7,0

Редактор

Заказ 3355 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Обработка по предложенному способу с порошком дисульфида молибдена

Обработка по прототипу, время не регламентированное

Обработка по предложенному способу с порошком карбонила молибдена

Обработка по прототипу, время не регламентированное

Составитель В,Королев

Техред М.Моргентал Корректор Т.Палий