Способ повышения износостойкости рабочих поверхностей металлических изделий

Способ повышения износостойкости рабочих поверхностей металлических изделий

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Заявляемое изобретение относится к обработке металлов давлением взрыва заряда взрывчатых веществ и может быть использовано для повышения износостойкости рабочих поверхностей металлических изделий.

Известен способ упрочнения литой части железнодорожных крестовин (по патенту РФ №2007478 от 19.03.91 г.), согласно которому упрочнение взрывом железнодорожных крестовин осуществляется после предварительного изгиба, который задается в зависимости от технологических требований. При этом создаются условия для увеличения интенсивности упрочнения (повышение твердости упрочняемого металла).

Известно устройство упрочнения рельса в районе сварного стыка (по патенту РФ №2102501 от 29.08.95 г.), согласно которому устройство содержит корпус с расположенным в нем зарядом литого ВВ и узел инициирования. Форма корпуса и положение узла инициирования выбраны таким образом, что волна детонации в заряде распространяется перпендикулярно продольной оси рельса. В результате взрывного упрочнения распределение твердости поверхности катания в районе сварного шва приобретает плавность без участков с пониженной твердостью в зонах термического влияния. Сварной стык менее подвержен износу, чем неупрочненный.

Известен способ упрочнения рабочих поверхностей сердечников стрелочных крестовин (по патенту РФ №2159292 от 25.09.99), согласно которому производят обработку поверхности катания крестовин скользящей детонационной волной с использованием листового заряда ВВ. При этом происходит упрочнение поверхности катания и тем самым увеличивается износостойкость крестовины.

Известен способ (Горбунов В.Г., Козорезов К.И., Ушеренко С.М. Исследование влияния бомбардировки микрочастицами на структуру стальной мишени. - В кн.: Порошковая металлургия, Минск: Высш. шк., 1982, вып.6, с.19-22), согласно которому процесс легирования поверхности металлической детали реализуется при метании мелкодисперсного легирующего порошка зарядом взрывчатого вещества (ВВ). Заряд располагается на определенном расстоянии от детали, а метание потока частиц осуществляется из сферической полости в заряде. При подрыве заряда на деталь оказывается комплексное воздействие потока мелкодисперсных частиц и ударной волны, образованной при торможении на преграде продуктов взрыва. При этом глубина проникания мелкодисперсных частиц достигает нескольких миллиметров, а изнашивание легированных поверхностей образцов снижается в два раза.

Последнее техническое решение, как наиболее близкое по технической сущности и достигаемому результату, выбрано за прототип.

Признаки прототипа общие с заявляемым способом:

- использование в качестве легирующих элементов мелкодисперсного порошка;

- размещение над легируемой поверхностью заряда взрывчатого вещества;

- инициирование заряда ВВ.

Указанный способ повышения износостойкости рабочих поверхностей обладает недостаточной степенью технологичности, так:

- для обработки криволинейной поверхности с получением определенной степени повышения износостойкости потребуется введение в технологический процесс дополнительных операций по многократной обработке (подрывов);

- для получения положительного результата упрочнения необходима операция по установке заряда с легирующим порошком на строго определенном расстоянии от обрабатываемой поверхности;

- важным препятствием к использованию известного способа упрочнения является фактор ограничения площади обрабатываемой поверхности, зависящий от габаритов сферической выемки в заряде ВВ.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является устранение упомянутых недостатков.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении сроков эксплуатации изделий за счет качественного повышения износостойкости рабочих поверхностей.

Указанный технический результат согласно заявляемому способу достигается за счет того, что:

- слой легирующего вещества размещают на обрабатываемой поверхности, т.е. на изнашиваемом участке изделия;

- заряд ВВ (например, пластичное ВВ), повторяющий форму обрабатываемой поверхности, располагают на слое легирующего вещества на обрабатываемой поверхности;

- упрочнение посредством ударно-волнового нагружения рабочей поверхности производят скользящей волной детонации по всей рабочей поверхности детали;

- для повышения износостойкости деталей, имеющих высокую твердость и в случае, когда дальнейшее повышение твердости нежелательно, между легирующим порошком и зарядом ВВ располагают инертную прокладку, повторяющую форму обрабатываемой поверхности.

Отличительные признаки в устойчивой взаимосвязи всей совокупности существенных признаков позволили:

- за счет расположения легирующего вещества на обрабатываемой поверхности исключить операцию установки заряда на определенном расстоянии от обрабатываемой поверхности;

- за счет использования ВВ, повторяющего форму обрабатываемой поверхности, и нагружения легирующего вещества скользящей волной детонации осуществить легирование по всей рабочей поверхности детали;

- за счет использования высокоплотного ВВ и осуществления ударно-волнового нагружения произвести упрочнение легируемой поверхности, при этом за счет использования инертной прокладки ослабить ударно-волновое воздействие и тем самым исключить упрочнение в тех случаях, когда это нежелательно.

Каждый из указанных существенных признаков необходим, а их совокупность является достаточной для достижения новизны качества, нового сверхэффекта, а не суммы эффектов, не присущего признакам в их разобщенности.

Сущность предложенного технического решения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен вариант реализации предлагаемого способа взрывного легирования рабочей поверхности металлического изделия.

На фиг.2 изображен вариант реализации предлагаемого способа с применением инертной прокладки, установленной между слоем легирующего вещества и зарядом ВВ.

Способ повышения износостойкости рабочей поверхности металлической детали 1 (см. фиг.1) осуществляют следующим образом. На рабочую поверхность помещают слой легирующего вещества 2, например мелкодисперсного легирующего порошка (фракция 1÷63 мкм). В качестве легирующего вещества могут быть использованы как частицы из высокотвердых порошков, так и пластичные частицы типа твердой смазки либо их механическая смесь. Заряд взрывчатого вещества 3 повторяет форму обрабатываемой поверхности и располагается на слое легирующего вещества. Инициирование заряда может осуществляться с произвольной стороны. После подрыва в заряде распространяется детонационная волна, возбуждающая в веществе 2 скользящую ударную волну. Поток вещества в ударной волне, набегая на металлическую поверхность, проникает вглубь ее материала. Аналогично прототипу легирование происходит путем комплексного воздействия на обрабатываемую деталь как потока частиц, так и ударной волны. При использовании высокоплотного ВВ ударная волна в металле может достигать уровня 20-25 ГПа, при этом возможно ударно-волновое упрочнение с увеличением твердости до 20%.

Предлагаемый способ применим, например, для повышения износостойкости поверхности катания неупрочненных колес железнодорожных вагонов с твердостью поверхности НВ ≈300÷310. При этом твердость поверхности может быть увеличена не более чем до НВ ≈360÷365. При получении более высоких значений твердости образуется некорректная пара трения: упрочненная твердая поверхность колеса по стальному рельсу, что неизбежно приводит к повышению износа рельса.

Для повышения, например, износостойкости колес железнодорожных вагонов, предварительно подвергнутых термическому упрочнению, способ реализуется с применением профилированной прокладки 4 (см. фиг.2). С использованием в качестве прокладки металла, например алюминия, прокладка может выполнять роль конструктивного элемента (короба), а в качестве заряда можно использовать относительно дешевые промышленные ВВ (например, аммонал), что явным образом влияет на повышение технологичности предлагаемого способа.

Примерами реализации заявляемого способа могут служить:

Пример 1. На поверхности колеса железнодорожного вагона располагали 1,5 мм слой порошка графитоподобного нитрида бора (Г-BN). Поверх порошка накладывали заряд пластичного ВВ ("сейсмопласт-2" ТУ 84-114487). Заряд повторял форму поверхности колеса. Инициирование осуществлялось с внутренней стороны колеса, противоположной гребню. В результате поверхность колеса упрочнилась до НВ≈350, а износ уменьшился с 320 мкм (исходный образец) до 20 мкм (при линейной скорости скольжения образца V=0,1 м/с, силе прижатия G=2,63 кгс и времени испытания 500 с).

Пример 2. На поверхности колеса железнодорожного вагона, предварительно подвергнутого термическому упрочнению, располагали 2 мм слой Г-BN. Поверх порошка накладывали алюминиевую прокладку толщиной 20 мм, которая повторяла форму колеса. Прокладка имела жесткие стенки в виде короба, в который засыпалось промышленное ВВ - аммонал толщиной 20 мм. Инициирование осуществлялось с внутренней стороны колеса, противоположной гребню. Как показали результаты, поверхность колеса упрочнилась с 348 НВ до 363 НВ, что составляет 4,3%, а износ уменьшился с 320 мкм (исходный образец) до 18 мкм (при линейной скорости скольжения образца V=0,1 м/с, силе прижатия G=2,63 кгс и времени испытания 500 с).

1. Способ повышения износостойкости рабочих поверхностей металлических изделий, включающий нанесение взрывом легирующего вещества в виде порошка на рабочую поверхность изделия, отличающийся тем, что при нанесении покрытия взрывом слой легирующего вещества располагают непосредственно на рабочей поверхности изделия, а над ним располагают заряд взрывчатого вещества (ВВ), повторяющий форму рабочей поверхности изделия, и инициируют заряд ВВ, возбуждая в легирующем веществе скользящую ударную волну.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что между слоем легирующего вещества и зарядом ВВ располагают прокладку, повторяющую форму обрабатываемой поверхности.