Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ ИЗ МАЛОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

Изобретение относится к области металлообработки, в частности к методам упрочнения поверхностей деталей машин электромеханической обработкой, направлено на повышение износостойкости изделий изготовленных из малоуглеродистых сталей в условиях массового и ремонтного производства.

Известны способы электромеханической обработки деталей машин (см. Аскинази, Б.М. Упрочнение и восстановление деталей электромеханической обработкой / Б.М. Аскинази. - Л.: Машиностроение. - 1989. - 184 с. и Яковлев, С.А. Влияние электрофизических параметров на электромеханическую обработку деталей машин: монография / С.А. Яковлев. - Ульяновск: УВАУ ГА (И), 2014. - 129 с.) при которых через зону контакта деформирующего электрод-инструмента (ролика или пластины) и детали проходит ток большой плотности (10⁸-10⁹ А/м²) и низкого (1-6 В) напряжения, вследствие чего на контактирующей поверхности изделия выделяется большое количество тепла, происходят высокоскоростной нагрев локального микрообъема поверхности с одновременным его пластическим деформированием и последующее интенсивное охлаждение за счет отвода тепла внутрь детали, что приводит к повышению твердости, прочности и износостойкости.

Однако данные способы не позволяют существенно повысить твердость малоуглеродистой стали, что не обеспечивает значительное увеличение износостойкости поверхностей изделий.

Известен способ упрочнения поверхности изделий из низкоуглеродистых сталей (см. Материаловедение и технология металлов: Учебник для ВУЗов / Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман, В.М. Матюнин и др. - М.: Высшая школа, 2001. - 638 с.) путем цементации их поверхности с последующей закалкой. Сущность процесса заключается в диффузионном насыщении поверхностных слоев стали углеродом путем размещения обрабатываемых изделий в среде карбюризатора нагретого до температуры цементации, длительной, до нескольких часов, выдержке изделий при температуре цементации, последующем охлаждении деталей и их закалке. Более производительной технологией цементации является использование в качестве карбюризатора графитовой пасты.

Недостатком этого способа высокая трудоемкость, длительность процесса, необходимость проводить дополнительные стадии термической закалки изделий и их последующей финишной механической обработки.

Известен способ поверхностной обработки малоуглеродистой стали (патент РФ №2197557 - принят за прототип), включающий механическое воздействие рабочим инструментом и нагрев поверхностного слоя изделия путем пропускания электрического тока через зону контакта рабочего инструмента с изделием, отличающийся тем, что одновременно с механическим воздействием рабочим инструментом и нагревом поверхностного слоя изделия осуществляют диффузионное насыщение поверхностного слоя углеродом путем нанесения графитового слоя в зону контакта, при этом нагрев осуществляют пропусканием электрического тока силой 450-650 А через зону контакта рабочего инструмента с изделием со скоростью обработки изделия 0,6-2,5 м/мин при давлении рабочего инструмента на изделие до 250 МПа. Этот способ позволяет частично повысить твердость и износостойкость поверхности.

Недостатками этого способа является необходимость предварительного нанесения графитового слоя, недостаточная степень и глубина науглероживания поверхности. Относительно высокая скорость обработки (0,6-2,5 м/мин) и малый ток (450-500 А) приводят к недостатку времени и температуры на прохождение процессов диссоциации, адсорбции, диффузии при насыщении поверхности детали атомарным углеродом. Все это не обеспечивает необходимую твердость и глубину упрочненной поверхности и недостаточно повышает износостойкость

Достигаемый технический результат - повышение износостойкости обработанных электромеханической обработкой поверхностей изделий изготовленных из малоуглеродистых сталей путем интенсификации процессов насыщения поверхности атомарным углеродом.

Указанный технический результат достигается тем, что в процессе электромеханической обработки происходит более интенсивное диффузионное насыщение поверхностного слоя углеродом путем подачи графитового слоя в зону контакта, за счет того что подача графитовой пасты осуществляется через отверстие неподвижного инструмента в зону контакта инструмента с поверхностью детали под давлением 2…3 МПа, при этом электромеханическая обработка проводится силой тока 800-1000 А через зону контакта рабочего инструмента с изделием со скоростью обработки поверхности изделия 0,4…0,5 м/мин.

На фиг. 1 представлена схема электромеханической обработки поверхности деталей из малоуглеродистой стали.

Способ осуществляется следующим образом. Через зону контакта перемещающейся со скоростью v=0,4…0,5 м/мин по поверхности детали 1 и неподвижного деформирующего электрод-инструмента 2, соединенных между собой электрически с помощью контактных шин 4, проходит ток силой 800…1000 А, вследствие чего на контактирующей поверхности изделия выделяется большое количество тепла, происходят высокоскоростной нагрев локального микрообъема поверхности с одновременным его пластическим деформированием при давлении рабочего инструмента Р₁. Одновременно с этим через отверстие электрод-инструмента в место контакта под давлением P₂=2-3 МПа (например, создается поршнем - на рисунке не показано) подается графитовая паста 3 (композиционная графитовая паста, в которой связующим веществом является, например, солидол, керосин и олифа, а наполнителем - измельченный графит при установленных технологических пропорциях между этими компонентами). Процессы диссоциации начинают протекать уже в отверстии инструмента, чему дополнительно способствует интенсивный нагрев рабочего инструмента от прохождения электрического тока. В месте контакта инструмента с деталью графитовая паста нагревается до температуры 1000…1200°С, что значительно интенсифицирует процессы адсорбции и мгновенной диффузии атомов углерода в нагретую до аустенитного состояния поверхность изделия. При остывании нагретого участка приводит упрочнение науглероженного слоя с образованием направленного микрорельефа на рабочей поверхности, т.е. к совокупности свойств, значительно повышающих износостойкость рабочих поверхностей трения.

Уменьшение силы тока менее 800 А не обеспечивает достаточный прогрев поверхностных слоев выше температуры фазовых превращений на глубину 1-1,2 мм и интенсификацию науглероживания поверхности. Увеличение скорости обработки более 0,5 м/мин сокращает время науглероживания, что не позволяет увеличить содержание углерода на необходимую глубину.

Увеличение силы тока более 1000 А и уменьшение скорости обработки менее 0,4 м/мин приводит к перегреву и оплавлению поверхностных слоев обрабатываемой детали, что снижает качество поверхности изделия.

Уменьшение давления на графитовую пасту Р₂ менее 2 МПа не обеспечивает должную интенсификацию процесса науглероживания поверхности. Увеличение давления Р₂ выше 3 МПа практически не изменяет процесс науглероживания.

Давление Р₁, прикладываемое к рабочему электрод-инструменту 2, материал инструмента, форма его рабочей поверхности и конфигурация отверстия для подачи графитовой пасты, подача инструмента вдоль заготовки принимаются исходя из заданных требований к качеству обрабатываемой поверхности.

Например, образцы из стали 10, обработанные на заявленных в предложенном способе режимах, на специально оборудованном установкой для электромеханической обработки токарном станке мод. 1К62, были подвергнуты металлографическим исследованиям, в результате которых на упрочненных участках поверхности образцов выявлена концентрация углерода до 1,1%. Глубина закаленного (цементованного) слоя составила до 0,75 мм.

Обработанный по предлагаемому способу поверхностный слой в прилегающей к границе области состоит из мелкодисперсного мартенсита, более глубокие слои из более крупных игл мартенсита, на границе с исходным металлом фиксируются зоны распространения углерода из цементитных пластин перлитных зерен в ферритные области.

Предлагаемый способ обеспечивает дополнительное снижение шероховатости обработанной поверхности, а также небольшие энергетические затраты при его реализации.

Испытания образцов на машине трения СМТ-1 показали увеличение износостойкости изделий на 10-12% по сравнению с прототипом.