Спосіб цементації сталевих деталей електроерозійним легуванням

Реферат: Винахід належить до способів електроерозійного легування. Спосіб цементації сталевих деталей електроерозійним легуванням, при якому використовують як анод графітовий електрод, а як катод - сталеву деталь і після цементації виконують подальше електроерозійне легування одержаної поверхні деталі вуглецем. Згідно з винаходом, подальше електроерозійне легування поверхні деталі виконують тим же графітовим електродом, що і цементацію, але поетапно, при цьому на кожному подальшому етапі знижують енергію розряду режиму електроерозійного легування. Винахід забезпечує досягнення 100 % суцільності зміцнення поверхневого шару, підвищення його твердості, відсутність об′ємного нагріву деталі, можливість здійснення легування в точно зазначених місцях. UA 101715 C2 (12) UA 101715 C2 UA 101715 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до електрофізичних і електрохімічних способів обробки, зокрема до електроерозійного легування. Відомо спосіб електроерозійного легування (ЕЕЛ) металевої поверхні - процес перенесення матеріалу на оброблювану поверхню іскровим електричним розрядом [Назаренко Н.И. Электроискровое легирование металлических поверхностей. - М: Машиностроение, 1976. - С. 46]. У способі використовують як анод графітовий електрод, а як катод - деталі з металу. Спосіб має ряд специфічних особливостей, однією з яких є те, що процес легування може відбуватися без перенесення матеріалу анода на поверхню катода і не утворювати приросту матеріалу. Таким чином, відбувається дифузійне насичення поверхні деталі складовими елементами (елементом) анода, наприклад, при ЕЕЛ графітовим електродом. Метод ЕЕЛ графітовим електродом засновано на процесі дифузії (насичення поверхневого шару деталі вуглецем) і має певну схожість з різновидом хіміко-термічної обробки цементацією. У порівнянні з цементацією ЕЕЛ графітовим електродом не лише має усі переваги порівнюваного методу, тобто зміцнення поверхні деталі здійснюється із збереженням властивостей початкового матеріалу деталі без її викривлення, але й малогабаритні установки для здійснення способу дозволяють виконувати зміцнення на будь-якому наявному 2 устаткуванні. Продуктивність процесу при цьому становить 1-5 хв./см . При ЕЕЛ графітовим електродом зміцнення поверхні деталі відбувається за рахунок дифузійно-гартівних процесів, що полягають у локальному насиченні її вуглецем при достатньо високій температурі (до 10000 °C) з подальшим швидким охолодженням до практично кімнатної температури самої деталі. ЕЕЛ графітовим електродом можна виділити в окремий напрям, що дозволяє формувати на деталях машин поверхневі шари підвищеної зносостійкості без зміни початкового розміру деталі. Найближчим до винаходу, що заявляється, є спосіб цементації сталевих деталей електроерозійним легуванням (ЕЦ) графітовим електродом, що включає використання як анода графітового електрода і як катода - сталевої деталі, при цьому як катод використовують деталь з низьковуглецевої легованої сталі аустенітного класу, легування здійснюють з продуктивністю 2 1,0-5,0 хв./см і енергією розряду 0,036-6,8 Дж і формують леговані поверхневі шари товщиною від 4-5 до 320-350 мкм [RU № 2337796, В23Н 9/00, 2008]. Спосіб має ряд позитивних якостей, основними з яких є: - досягнення 100 % суцільності зміцнення поверхневого шару; - підвищення твердості поверхневого шару деталі за рахунок дифузійно-гартівних процесів; - можливість здійснення легування в точно зазначених місцях без необхідності одночасного захисту іншої поверхня деталі; -. відсутність об'ємного нагріву деталі, а, отже, повідець і викривлень; - простота застосування технології; - гнучка прив'язка до наявного устаткування; - процес зміцнення не вимагає спеціальної підготовки і високої кваліфікації робітника. При цементації сталевих деталей електроерозійним легуванням товщина зміцненого шару залежить від енергії розряду і часу легування (продуктивності процесу). Із збільшенням енергії розряду і часу легування товщина зміцненого шару збільшується. Проте при цьому зростає і шорсткість поверхні. Так, при ЕЕЛ вуглецем середньовуглецевої легованої сталі 40Х (Ra=0,5 2 мкм) з продуктивністю 5 хв./см при енергії розряду 6,8 Дж товщина шару підвищеної твердості становить більше 1,15 мм. Шорсткість поверхні при цьому відповідає Ra=11,7-14,0 мкм. Для зниження шорсткості поверхні після електроерозійного легування графітовим електродом застосовують, як правило, методи поверхнево-пластичної деформації (ППД). Серед методів ППД особливої уваги заслуговують: обкатка кулькою і ультразвукове зміцнення - метод безабразивної ультразвукової фінішної обробки (БУФО). Проте застосування методів ППД не завжди приводить до бажаних результатів. Так, при обкатці кулькою незначне перевищення (на 10 %) необхідного питомого зусилля обкатки, спричиняє виникнення в поверхневому шарі, заздалегідь підданому ЕЕЛ вуглецем, мікротріщин. На фіг.1 показано структуру і мікротвердість сталі 40Х на поверхні (а) і по глибині шару (б) після ЕЕЛ (графітом ЕГ-4) + ППД (обкатка кулькою Ø 10 мм з максимальним питомим зусиллям Р=1650 Н). [Тарельник В.Б., Марцинковский B.C., Антошевский Б. Повышение качества подшипников скольжения: Монография. - Сумы: Издательство "МакДен". - С. 2006.-160]. Мікротріщини, які є концентраторами напруг, можуть призвести до руйнування деталей, особливо тих, що в процесі роботи піддають знакозмінним навантаженням. 1 UA 101715 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Останнім часом, з метою зниження шорсткості поверхні, застосовують метод БУФО, наприклад, на ультразвуковій установці з деформуючим інструментом у вигляді півсфери, схематичне зображення якої представлене на фіг.2, що включає деформуючий інструмент 1; концентратор УЗК 2; хвилевід 3; перетворювач УЗК 4; генератор 5; оброблювана деталь 6. Не дивлячись на те, що подальша обробка БУФО значно знижує шорсткість поверхні, для багатьох деталей машин це є недостатнім. Застосування після ЕЦ операції шліфування не є можливим, оскільки в цьому випадку видаляється, як мінімум, 50-100 мкм поверхневого шару, причому шару з найбільшою твердістю. З рівня техніки відомо, що для зниження шорсткості поверхні покриття, нанесеного методом ЕЕЛ, достатньо як завершальну операцію після легування відповідним матеріалом провести "м'яке" легування графітом. [Назаренко Н.И. Электроискровое легирование металлических поверхностей. - М.: Машиностроение, 1976. - С. 46]. Проте "м'яке" легування графітом - процес досить тривалий, і, крім того, в джерелі інформації конкретно не вказано, на яких режимах "м'яке" легування графітом може виявитися ефективним. В основу винаходу поставлено задачу зниження шорсткості поверхні сталевих деталей із збереженням якості поверхневого шару (відсутність мікротріщин, наявність шару підвищеної твердості, 100 % суцільність тощо) і, як результат, можливість розширення їх застосування. Поставлену задачу вирішують тим, що у способі цементації сталевих деталей електроерозійним легуванням, при якому використовують як анод графітовий електрод, а як катод - сталеву деталь і після цементації виконують подальше електроерозійне легування одержаної поверхні деталі вуглецем, згідно з винаходом, подальше електроерозійне легування поверхні деталі виконують тим же графітовим електродом, що і цементацію, але поетапно, при цьому на кожному подальшому етапі знижують енергію розряду режиму електроерозійного легування. На кожному подальшому етапі виконують електроерозійне легування графітовим електродом у режимі з такою енергією розряду, при якій формують поверхню з шорсткістю в 2-3 рази нижче, ніж на попередньому етапі, порівняно з шорсткістю поверхні деталі з нелегованого матеріалу до цементації. Електроерозійне легування графітовим електродом можуть здійснювати за один прохід для зниження величини шорсткості в 2 рази, при цьому за один прохід здійснюють електроерозійне легування графітовим електродом усієї заданої площі поверхні деталі з продуктивністю, відповідною до енергії розряду, що використовують. Електроерозійне легування графітовим електродом можуть здійснювати за два проходи для зниження величини шорсткості в 3 рази, при цьому за один прохід здійснюють електроерозійне легування графітовим електродом усієї заданої площі поверхні деталі з продуктивністю, відповідною до енергії розряду, що використовують. В цьому випадку утворюється не шар графіту, а деякий дифузійний шар, причому відбувається викид металу катода (деталі) в місцях прикладання імпульсів, тобто розпилювання найбільш виступаючих частин поверхні. В результаті, відбувається згладжування гребінців і, отже, знижується шорсткість [Лазаренко Н.И. Электроискровое легирование металлических поверхностей. - М.: Машиностроение, 1976. - С. 46]. Винахід описано з посиланнями на креслення, де: На фіг. 1 представлено структуру і мікротвердість сталі 40Х на поверхні (а) і по глибині шару (б) після ЕЕЛ (графітом ЕГ-4) + ППД (обкатка кулькою Ø 10 мм з максимальним питомим зусиллям Р = 1650 Н). На фіг. 2 показано схему ультразвукової установки з деформуючим інструментом у вигляді півсфери: 1 - деформуючий інструмент; 2 - концентратор ультразвукового контролю (УЗК); 3 хвилевід; 4 - перетворювач УЗК; 5 - генератор; 6 - оброблювана деталь. На фіг. 3 зображено сталеві зразки для дослідження результатів ЕЦ; на фіг. 4 - процес ЕЦ з використанням токарного верстата; на фіг. 5 - розподіл мікротвердості по глибині шару при ЕЕЛ сталі 38ХМЮА вуглецем (Wp=0,9 Дж); на фіг.6 - розподіл мікротвердості по глибині шару при ЕЕЛ сталі 40ХН2МЮА вуглецем (Wp=0,9 Дж). Спосіб пояснюється конкретним прикладом здійснення. Нижче наведена методика і результати проведених досліджень. ЕЦ виконувалося на переносних установках ЕЕЛ з ручним вібратором, що забезпечують енергію розряду в діапазоні 0,1…0,68 Дж ("ЕІЛ - 8А", "Елітрон - 22А") і установках 2 UA 101715 C2 5 електроерозійного легування більшої потужності ("Елітрон - 52А" і "ЕІЛ - 9") з енергією розряду до 6,8 Дж. Процес ЕЦ проводився в автоматичному режимі за допомогою спеціального пристосування на різних режимах в діапазоні енергій розряду (Wp) від 0,1 до 6,8 Дж. Продуктивність процесу ЕЦ, залежно від режиму легування, представлено в таблиці 1. Таблиця 1 Енергія розряду (W p), Дж 2 Продуктивність ЕЦ, хв/см 10 15 20 25 30 35 40 0,1 2,0 0,31 1,0 0,53 1,0 0,9 1,0 2,83 0,5 3,4 0,5 6,8 0,5 Для досліджень використовували спеціальні зразки, виготовлені із сталей 38ХМЮА і 40ХН2МА у вигляді котушки, що складається з двох дисків діаметром 50 мм і шириною 10 мм, сполучених між собою проставкою діаметром 15 мм і що має дві технологічні ділянки такого ж діаметра (фіг. 3, а). Поверхні дисків перед ЕЦ шліфували до Ra=0,5 мкм. Зразки закріплювали в патроні токарного верстата, після чого здійснювали ЕЦ, обробку БУФО і поетапне зниження шорсткості легуванням графітовим електродом (фіг. 4). На всіх етапах обробки вимірювали шорсткість поверхні на приладі профілограф-профілометр мод. 201 заводу "Калібр". Далі зразки розрізали на окремі диски (діаметром 50 мм і шириною 10 мм) (фіг. 3, б). З дисків, у свою чергу, вирізували окремі сегменти, з яких виготовляли шліфи для металографії і дюрометричних досліджень. Після виготовлення шліфи досліджували на оптичному мікроскопі "Неофот-2", де проводилася оцінка якості шару, його суцільності, товщини і будови зон підшару - дифузійної зони і зони термічного впливу. Одночасно проводили дюрометричний аналіз на розподіл мікротвердості в поверхневому шарі і по глибині шліфа від поверхні. Вимір мікротвердості здійснювали на мікротвердомірі ПМТ-3 вдавлюванням алмазної піраміди під навантаженням 0,05 Н. При ЕЦ деталей використовували графітові електроди марок ЕГ-2, ЕГ-3, ЕГ-4 ОСТ 229-83 і ін. Процес ЕЦ проводили з продуктивністю 5 хв./см. 2 При ЕЦ з продуктивністю 5 хв./см круглих зразків із сталей 38ХМЮА і 40ХН2МЮА на установці "Елітрон - 22А" з використанням 6-го режиму (Wp=0,53 Дж) шорсткість поверхні (Ra) підвищується з 0,5 до 1,4-1,7 мкм. Остаточна обробка БУФО знижує шорсткість поверхні до Ra=0,6 мкм. Товщина зміцненого шару в цьому випадку не перевищує 35 мкм, а мікротвердість, відповідно, 950 і 800 HV. Із збільшенням режиму ЕЦ до Wp=0,9 Дж з використанням установки "Елітрон-52А" глибина зміцненого шару збільшується до 150-170 мкм (фіг. 5 і 6). Мікротвердість на поверхні складає, відповідно, для сталей 38ХМЮА і 40ХН2МЮА 1350 і 760 HV. У міру поглиблення мікротвердість знижується і плавно переходить в твердість основи, відповідно, для сталей 38ХМЮА і 40ХН2МЮА 225 і 260 HV. Із збільшенням параметрів режиму ЕЦ шорсткість поверхні, в свою чергу, збільшується до Ra=1,6-2,0 мкм. Подальша обробка БУФО знижує шорсткість поверхні до Ra=0,8-0,9 мкм, що є недостатнім для багатьох деталей машин. Подальше збільшення товщини шару підвищеної твердості супроводжується формуванням ще більшої шорсткості поверхні. Результати досліджень параметрів якості поверхневого шару (загальної товщини шару підвищеної твердості; максимальної мікротвердості на поверхні, HV; шорсткості після ЕЦ і БУФО) сталей 38ХМЮА і 40ХН2МЮА зведені в таблиці 2. 3 UA 101715 C2 Таблиця 2 Результати дослідження сталевих зразків після ЕЦ і БУФО Загальна Енергія розряду, глибина шару, Wр, Дж мкм Марка Сталі 38ХМЮА 40ХН2МЮА 5 0,1 0,31 0,53 0,9 2,83 3,4 6,8 0,1 0,31 0,53 0,9 2,83 3,4 6,8 Максимальна мікротвердість на поверхні, HV 10 20 35 170 215 230 370 10 20 37 163 245 262 380 900 900 950 1350 980 960 1010 900 900 800 760 1002 1006 1070 Шорсткість, Ra, мкм після ЕЦ 0,8-0,9 0,9-1,0 1,4-1,7 1,6-2,0 5,7-6,9 8,3-8,5 11,9-14,0 0,8-0,9 0,9-1,0 1,4-1,7 1,7-2,0 5,7-6,7 8,6-8,9 11,9-14.1 після БУФО 0,2 0,3 0,6 0,8 1,5 2,3 3,2 0,2 0,3 0,6 0,9 1,5 2,3 3,2 В таблиці 3 представлені результати максимального зниження величини шорсткості зразків після ЕЦ при використанні режимів легування з різною енергією розряду. Так, наприклад, після ЕЦ сталі 38ХМЮА при енергії розряду 2,83 Дж шорсткість поверхні становить Ra=5,7-6,9 мкм. 2 Після ЕЕЛ графітовим електродом з продуктивністю 2 хв./см (2 проходи з продуктивністю 1 2 хв./см ) і використанням режиму з енергією розряду 0,9 Дж шорсткість поверхні становить Ra=1,7-2,2 мкм. Подальше збільшення продуктивності легування (числа проходів) не сприяє зниженню величини шорсткості поверхні. 10 Таблиця 3 Результати максимального зниження шорсткості поверхні сталевих зразків після ЕЦ при використанні режимів легування з різною енергією розряду Марка Сталі Енергія розряду, Wр, Дж Шорсткість, Ra, мкм 2 Продуктивність, хв./см після ЕЦ 38ХМЮА Енергія розряду, W p, Дж 0,53 0,9 0,1 0,1 0,9-1,0 0,53 1,4-1,7 0,9 1,7-2,1 2,83 5,7-6,9 3,4 8,3-8,9 6,8 11,9-14,0 40ХН2МЮА 2,83 5,7-6,7 12 × 18Н10Т 2,83 2,9-3,7 08  09 2 08  09 2 0,9  1,0 2 1,1  1,2 14 0,9  1,0 1 1,0  1,1 1 1 2  13 , , 6 1,4  1,7 1 1 6  19 , , 3 1,7  2,2 2 13  1 6 , , 18 1,4  1,7 7 2,0  2,3 4 2,3  2,7 3 1 6  19 , , 25 1,0  1,1 14 08  09 14 18  2,1 , 13 1 2  13 , , 6 10  1 2 , , 6 2,4  2,6 8 15  18 , , 3 15  18 , , 3 2,6  3,1 5 1,7  2,1 2 1,7  2,0 2 2,83 3,4 5,7  6,7 0,5 6,3  6,9 0,5 8,5  9,0 0,5 0,8-0,9 0,31 0,31 4 UA 101715 C2 5 10 15 20 25 Після ЕЕЛ сталі 38ХМЮА графітовим електродом з використанням режимів з енергіями 2 розряду 0,53; 0,31 і 0,1 Дж і продуктивністю, відповідно, 3; 6 і 14 хв./см шорсткість поверхні становить, відповідно, Ra=1,6-1,9; 1,2-1,3 і 1,1-1,2 мкм. Подальше збільшення продуктивності легування на досліджених режимах не сприяло зниженню величини шорсткості поверхні. Так, щоб максимально понизити шорсткість поверхні, наприклад, сталі 38ХМЮА після ЕЦ з енергією розряду 6,8 Дж, яка становить Ra=11,9-14,0 Дж необхідно: - на першому етапі виконати ЕЕЛ графітом при Wp=2,83 Дж (тобто з енергією розряду, що забезпечує зниження величини шорсткості при ЕЦ ~ у 2 рази з 11,9-14,0 до 5,7-6,9 мкм) з 2 продуктивністю 0,5 хв./см . Шорсткість поверхні після ЕЕЛ на першому етапі становить Ra=6,36,9 мкм; - на другому етапі виконати ЕЕЛ графітом при Wp=0,9 Дж (тобто з енергією розряду, що забезпечує зниження величини шорсткості при ЕЦ ~ у 3 рази з 6,3-6,9 до 1,7-2,1 мкм) з 2 продуктивністю 2 хв./см . Шорсткість поверхні після ЕЕЛ на другому етапі становить Ra=1,7-2,2 мкм; - на третьому етапі виконати ЕЕЛ графітом при Wp=0,1 Дж (тобто з енергією розряду, що забезпечую зниження величини шорсткості при ЕЦ ~ у 2 рази з 1,7-2,2 до 0,8-0,9 мкм) з 2 продуктивністю 2 хв./см . Шорсткість поверхні після ЕЕЛ на третьому етапі становить Ra=0,8-0,9 мкм. Слід зазначити, що одноетапне ЕЕЛ графітовим електродом, з метою зниження шорсткості поверхні цієї ж сталі після ЕЦ з енергією розряду 6,8 Дж на будь-якому режимі не дозволяє досягти аналогічних результатів. Так, наприклад, подальше легування при Wp=0,1 Дж з 2 продуктивністю 25 хв./см дозволяє знизити шорсткість поверхні до Ra=1,6-1,9 мкм. Для порівняння в таблиці 3 наведені результати поетапного зниження шорсткості сталей 40ХН2МЮА і 12 × 18Н10Т після ЕЦ з потужністю розряду Wp=2,83 Дж. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 30 35 40 45 1. Спосіб цементації сталевих деталей електроерозійним легуванням, при якому використовують як анод графітовий електрод, а як катод - сталеву деталь і після цементації виконують подальше електроерозійне легування одержаної поверхні деталі вуглецем, який відрізняється тим, що подальше електроерозійне легування поверхні деталі виконують тим же графітовим електродом, що і цементацію, але поетапно, при цьому на кожному подальшому етапі знижують енергію розряду режиму електроерозійного легування. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що на кожному подальшому етапі виконують електроерозійне легування графітовим електродом у режимі з такою енергією розряду, при якій формують поверхню з шорсткістю в 2-3 рази нижче, ніж на попередньому етапі. 3. Спосіб за будь-яким з пп. 1-2, який відрізняється тим, що електроерозійне легування графітовим електродом здійснюють за один прохід для зниження величини шорсткості в 2 рази, при цьому за один прохід здійснюють електроерозійне легування графітовим електродом усієї заданої площі поверхні деталі з продуктивністю, відповідною до енергії розряду, що використовують. 4. Спосіб за будь-яким з пп. 1-2, який відрізняється тим, що електроерозійне легування графітовим електродом здійснюють за два проходи для зниження величини шорсткості в 3 рази, при цьому за один прохід здійснюють електроерозійне легування графітовим електродом усієї заданої площі поверхні деталі з продуктивністю, відповідною до енергії розряду, що використовують. 5 UA 101715 C2 6 UA 101715 C2 Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7