Способ фрикционно-механического нанесения антифрикционного покрытия
Изобретение может быть использовано для повышения износостойкости внутренних цилиндрических поверхностей, работающих в условиях граничного трения. Способ включает нанесение на поверхность обрабатываемой детали среды, например сплава галлия, и формирование основного фрикционного покрытия при помощи инструмента из сплава меди при одновременном вращательном и возвратно-поступательном движении инструмента и дополнительном перемещении его в плоскости, параллельной оси обрабатываемой детали, под действием ультразвуковых колебаний частотой 14 - 16 кГц и амплитудой 30 - 45 мкм, при этом формирование основного фрикционного покрытия происходит при одновременном плавлении материала среды в зоне контакта и нанесения вместе со сплавом меди на обрабатываемую поверхность. Изобретение направлено на повышение износостойкости, производительности процесса, адгезионной прочности покрытия. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 7 ил.
Изобретение относится к области нанесения антифрикционных покрытий фрикционно-механическим способом и может быть использовано для повышения износостойкости внутренних цилиндрических поверхностей трибосопряжений, работающих в условиях граничного трения.
Известен способ фрикционной обработки стальных изделий [1], преимущественно головок железнодорожных рельсов, включающий натирание поверхности латунным прутком, совершающим поступательное перемещение под углом к поверхности со скоростью 1.0-1.5 м/с под давлением 20-30 кгс/мм2, с одновременным наложением ультразвуковых колебаний частотой 18-20 кГц и амплитудой 50-70 мкм. Данный способ используется для повышения износостойкости головок железнодорожных рельсов. Однако данный способ невозможно применить для обработки внутренних и наружных цилиндрических поверхностей ввиду колебаний инструмента в плоскости под углом к поверхности вращения, что вызывает отрыв инструмента от обрабатываемой поверхности и приводит к ухудшению качества наносимых покрытий. Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является способ фрикционно-механического нанесения антифрикционного покрытия на поверхность чугунных деталей [2], включающий нанесение среды и формирование основного покрытия путем одновременной подачи сплава меди, например, бронзы БрОФ 4-0,25 и сплава галлия в твердом состоянии под давлением, обеспечивающим нанесение материала среды на обрабатываемую поверхность. Недостатком данного способа является низкая производительность процесса нанесения, ввиду недостаточной номинальной площади контакта инструмента из сплава меди с обрабатываемой поверхностью и невозможности применения большого количества инструментов из сплава меди из-за увеличения габаритов устройства для фрикционно-механической обработки, что делает невозможным производить обработку внутренних поверхностей гильз большинства серийных двигателей. Увеличение скорости обработки вызывает появление задиров на рабочей поверхности гильз цилиндров, что приводит к ухудшению качества наносимого покрытия. Изобретение направлено на повышение износостойкости, производительности процесса нанесения, качества наносимого покрытия. Решение поставленной задачи достигается тем, что сначала на поверхность обрабатываемой детали наносят среду, а инструмент из сплава меди дополнительно перемещают в плоскости, параллельной оси обрабатываемой детали, под действием ультразвуковых колебаний частотой 14-16 кГц и амплитудой 30-45 мкм, при этом формирование основного фрикционного покрытия происходит при одновременном плавлении материала среды в зоне контакта и нанесении вместе со сплавом меди на обрабатываемую поверхность, при этом в качестве среды наносят галлий. Инструмент из сплава меди совершает вращательное, возвратно-поступательное движения при одновременном наложении ультразвуковых колебаний в плоскости, параллельной оси обрабатываемой детали. В способе, указанном в прототипе, движение инструмента происходит по винтовой траектории (фиг. 1). При развертке цилиндра получаем вид этой траектории в плоскости (фиг. 2). Полученный отрезок "а" (фиг. 2) поместим в систему координат центром, находящимся в точке А и осью абсцисс параллельной линии "а". Рассмотрим случаи: 1) траектория движения инструмента представляет собой винтовую линию; 2) траектория инструмента представляет собой винтовую линию с одновременным наложением вынужденных колебаний в плоскости, параллельной оси цилиндра. В первом случае за какой-то малый отрезок времени t траектория движения инструмента может быть изображена в виде прямого отрезка AB (фиг.2). Во втором случае за тот же отрезок времени инструмент совершит дополнительно вынужденные колебания под действием периодической силы, изменяющейся по гармоническому закону: F= F0sinwt, следовательно, полученная траектория будет синусоидой вида: x= Asin(wt+ ) ) (фиг.2). Докажем, что путь инструмента S во втором случае больше, чем в первом. Разобьем отрезок AB на n частей с границами интервалов [(/2)m; (m+1)/2]. Произвольно выберем i-й отрезок, находящийся в интервале [(/2)m; (m+1)/2]. Так как мы определяем путь S, то прямую "а" будем рассматривать в системе координат v(t) (фиг.З). Элементарное приращение пути dS = Vdt. При изменении времени от t1 до t2 в промежутке t = t1 - t2 конечное приращение S определяется суммой dS при всех dt, т.е. интегралом Как и всякий определенный интеграл, он числено равен площади заштрихованной фигуры, ограниченной осью t, перпендикулярами, восстановленными к ней из t1 и t2 и кривой V(t). Следовательно: S2i> S1i. Путь, пройденный инструментом во втором случае: где S2i берется по модулю. Тогда S2 > S1 и, следовательно, путь, пройденный инструментом в предлагаемом способе за одно и то же время, больше пути инструмента при обработке детали способом, указанным в [2,3]. Таким образом, предлагаемый способ фрикционно-механического нанесения антифрикционных покрытий повышает производительность процесса нанесения по сравнению с прототипом. При одинаковом времени контактирования инструмента из сплава меди и поверхности в предлагаемом способе инструмент проходит больший путь по сравнению с прототипом, одновременно происходит разрушение окисной пленки с созданием благоприятных сжимающих напряжений в зоне контакта. Это приводит к сдвигу и последующему смятию выступов неровностей с одновременным раскрытием и заполнением материалом среды и сплавом меди полостей, устьев микротрещин и углублений микронеровностей. Перемещение инструмента по винтовой траектории с одновременными движениями в плоскости, параллельной оси обрабатываемой детали с указанными амплитудно-частотными параметрами, приводит к локальному повышению температуры в зоне контакта, способствует интенсификации диффузионных процессов, проникновению атомов галлия, индия и меди на большую глубину и с высокой скоростью, что повышает тангенциальную адгезионную прочность нанесенного антифрикционного покрытия. В результате происходит качественно новая обработка поверхности (по сравнению с прототипом), что повышает износостойкость обрабатываемых поверхностей, производительность процесса нанесения и качество наносимого покрытия. Оптимальность указанных амплитудно-частотных пределов внесения компонентов среды и сплава меди в зону обработки определяется необходимым временем взаимодействия легирующих компонентов с материалом среды и диффундированием атомов галлия, индия и меди на большую глубину с высокой скоростью. При амплитуде колебаний ниже 30 мкм и частоте ниже 14 кГц степень деформации и температура в зоне обработки становятся недостаточными для диффундирования компонентов среды на необходимую глубину, что уменьшает тангенциальную адгезионную прочность нанесенных антифрикционных покрытий. Увеличение амплитуды ультразвуковых колебаний свыше 45 мкм и частоты колебаний выше 16 кГц приводит к значительному выгоранию легирующих элементов из зоны обработки поверхности изделия и уменьшению износостойкости поверхностного слоя изделия. На фиг. 4 приведена схема реализации предлагаемого способа. Обработке подвергали гильзы из чугуна СЧ 24. Обработку внутренних поверхностей гильз производили устройством для фрикционно-механического нанесения антифрикционных покрытий (фиг.4). Для этого устройство закрепляли в патроне 28 хонинговального полуавтомата ЗК833. Перед работой бруски 9 из материала среды и бруски 8 из сплава меди закрепляют на штоках 7 и полых стержнях 6. Устройство вводят внутрь гильзы цилиндров 10. Включают станок и устройство начинает совершать вращательное и возвратно-поступательное движения. Затем золотник 26 разобщительного крана (фиг.6) переводят в положение IV и производят подачу воздуха в полость I. Под давлением воздуха шток 7 выдвигается, и связанный с ним брусок 9 прижимается к обрабатываемой поверхности детали 10. Давление в полости 1 возрастает до момента срабатывания клапана 19 (фиг. 5) и составляет 0,3 МПа. За счет теплоты, выделяемой при трении бруска 9 о поверхность, происходит интенсивный нагрев материала среды в зоне контакта. После срабатывания клапана 19 золотник 26 разобщительного крана переводят в положение V, производят подачу воздуха в полости I, II. Под давлением воздуха стаканы 5 выдвигаются и через полые стержни 6 прижимают бруски 8 к обрабатываемой поверхности. Одновременно включают ультразвуковой генератор 29 марки УЗГ10-22, вырабатывающий электрические колебания частотой 14-16 кГц (фиг.7), передающиеся на магнитострикционный преобразователь 30 (фиг.4) марки ПМС 15А-18, где они преобразовываются из электрических колебаний в механические такой же частоты и усиливаются с помощью обкладок 33 (фиг.4) магнитострикционного преобразователя, играющего роль волновода, передающего циклические колебания на бруски 8 из сплава меди. Магнитострикционный преобразователь 30 крепили на корпусе 31 хонинговального полуавтомата посредством скоб 32. Давление в полости II возрастает до момента срабатывания клапана 18, что соответствует усилию прижатия брусков 8 из сплава меди к обрабатываемой поверхности детали, равному 0,6 МПа. При достижении вышеуказанного давления происходит плавление материала среды в зоне контакта и нанесение вместе с сплавом меди на обрабатываемую поверхность 10. Для получения сравнительных результатов проводили испытания на износостойкость образцов с нанесенным антифрикционным покрытием известным и предлагаемым способами. Испытания на износостойкость проводили на стандартной машине трения СМЦ-2 по схеме вращающийся диск - неподвижная колодка. Испытаниям подвергались образцы, изготовленные из гильз, подвергнутых фрикционно-механическому нанесению на режимах: давление инструмента на обрабатываемую поверхность P1 = 0.6 МПа; давление инструмента из материала среды P2 = 0.45 МПа, частота вращения хона n = 114 мин-1, скорость возвратно-поступательного движения хона, S = 1.5 м/с. Контролем служил диск из чугуна ВЧ50 диаметром 100,54 мм. Режим смазки пары трения диск-колодка: одна капля моторного масла марки M-1OБ1 через 5 мин работы. Режим приработки: время - 15 мин, давление в контакте -1,6 МПа, скорость скольжения - 2,63 м/с. Режим испытаний: номинальное давление в фрикционном контакте 2 МПа, скорость скольжения 5 м/с, время 4 ч. Критерием изнашивания принималась потеря массы образца за период изнашивания. Взвешивание образцов проводили на аналитических весах ВЛА-200 мг. Износостойкость сопряжения определялась по формуле: где Aa - номинальная площадь контакта, м2; 1,2 - плотность изнашиваемого материала, кг/м ; Lтр - длина пути трения, на котором произошло изнашивание, м;x1,2 - отношение номинальной площади контакта детали к площади поверхности трения x1,2 = Aа/Aт1,2, где Aт1,2 - площадь поверхности трения: колодки (Aт1) и диска (Aт2), м2;
G1,2 - масса изношенного элемента: G1 (колодки из гильзы) и G2 (диска), кг. Определение величины пути трения в процессе испытаний проводили с учетом количества оборотов (nц), совершаемых образцом. Значение nц фиксировалось импульсным счетчиком СИ 206ХЛ-4, встроенным в потенциометр КСП-2-005, который входит в комплект машины трения СМЦ-2. Результаты сравнительных испытаний на износостойкость представлены в таблице. Результаты исследования тангенциальной прочности адгезионной связи покрытий, полученных предлагаемым и известным способами, представлены в таблице. Как показывает анализ данных таблицы, производительность предлагаемого способа в 4 раза выше по сравнению с известным. Износостойкость сопряжений, обработанных по предлагаемой технологии, в 1.49 раза больше износостойкости сопряжений, обработанных по известной технологии. Тангенциальная прочность адгезионной связи трибопокрытий, сформированных на предлагаемых режимах, в 1,27 раза выше по сравнению с аналогичным показателем для покрытий, нанесенных известным способом. Таким образом, использование предлагаемого способа фрикционно-механического нанесения на внутренние цилиндрические поверхности позволяет повысить износостойкость сопряжения, производительность процесса нанесения, адгезионную прочность наносимого покрытия.
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8