способ нанесения металлических покрытий на рабочие поверхности деталей машин

Формула изобретения

Способ упрочнения деталей с одновременным нанесением покрытий, включающий предварительную подготовку поверхности вращающимся инструментом, подачу в зону контакта обрабатываемой детали с инструментом жидкости, образующей материал покрытия и содержащей хлорид меди, ацетамид, мочевину, стеариновую кислоту, воду и глицерин, и образование покрытия путем взаимодействия компонентов жидкости и силового действия инструмента, отличающийся тем, что используют вращающийся инструмент в виде упрочняющего ролика, который прижимают к обрабатываемой поверхности с усилием 450-550 Н, и дополнительный вращающийся инструмент в виде очищающего ролика или щетки с мягким ворсом, который прижимают к обрабатываемой поверхности с усилием 30-50 Н, при этом дополнительный вращающийся инструмент и упрочняющий ролик располагают в одной плоскости и постоянном контакте с обрабатываемой поверхностью, а в жидкость дополнительно вводят сернокислую медь и дисульфид молибдена при следующем соотношении компонентов, мас.%:

хлорид меди	3,0-4,5
сернокислая медь	3,5-4,5
ацетамид	4-6
мочевина	0,2-0,5
стеариновая кислота	0,25-0,5
дисульфид молибдена	3,5-5,0
вода дистиллированная	8-10
глицерин химический чистый	остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при упрочняющей обработке с одновременным нанесением композиционных покрытий рабочих поверхностей деталей узлов трения.

Известен способ нанесения защитных покрытий на рабочие поверхности деталей, при котором покрытие наносится из жидкости, содержащей соли наносимого металла, растворенные в глицерине, а в качестве деформирующего инструмента используется металлическая щетка, устанавливаемая с изменяющимся эксцентриситетом (патент РФ №2053106, В24В 39/00, БИ №3, 1996 г.).

Недостатками данного способа являются медленное осаждение наносимого металла, низкая прочность сцепления с основой.

Известен способ упрочнения с одновременным нанесением покрытий, заключающийся в предварительной подготовке поверхности вращающимся инструментом, после которой в зону контакта обрабатываемой детали подают жидкость, образующую материал покрытия и содержащую хлорид меди, ацетамид, мочевину, стеариновую кислоту, воду и глицерин - остальное, и образуют покрытие путем взаимодействия компонентов жидкости и силового действия инструмента, в жидкость дополнительно добавляют композицию высокодисперсных порошков меди и никеля в соотношении 1:1 и фторированный графит при следующем соотношении компонентов, мас.%:

хлорид меди	4-8
фторированный графит	2-3
ацетамид	5-8
мочевина	0,5-0,8
стеариновая кислота	0,5-0,8
вода	10
композиция высокодисперсных
порошков меди и никеля	1-1,5
глицерин	остальное,

а процесс образования покрытия ведут при постоянной осцилляции щетки в направлении, перпендикулярном к оси вращения детали (патент РФ №2138579, МПК В24В 39/00, БИ №27, 1999, Громаковский Д.Г., Берсудский А.Л. и др.).

Недостатками являются: медленное охлаждение наносимого металла; низкая прочность сцепления с основой и неудовлетворительные прочностные и качественные показатели самого покрытия, трудности при приготовлении состава из-за плохой смачиваемости фторированного графита.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение качества покрытий при упрочнении деталей и улучшение сцепляемости покрытия с основой (деталью) за счет введения дополнительных материалов в состав покрытия и дополнительной очистки поверхности в процессе нанесения покрытия.

Технический результат достигается тем, что в способе упрочнения деталей с одновременным нанесением покрытий, включающем предварительную подготовку поверхности (упрочнение поверхности) вращающимся инструментом, после которой в зону контакта обрабатываемой детали подают жидкость, образующую материал покрытия и содержащую хлорид меди, ацетамид, мочевину, стеариновую кислоту, воду и глицерин, дополнительно вводят сернокислую медь и дисульфид молибдена, образуя покрытие путем взаимодействия компонентов жидкости и силового действия инструмента, в зону контакта подается покрытие следующего состава, мас.%:

хлорид меди	3,0-4,5
сернокислая медь	3,5-4,5
ацетамид	4-6
мочевина	0,2-0,5
стеариновая кислота	0,25-0,5
дисульфид молибдена	3,5-5,0
вода дистиллированная	8-10
глицерин химический чистый	остальное.

Предварительную подготовку поверхности производят дополнительными вращающими инструментами, в качестве которых используют очищающий ролик или щетку с мягким ворсом и упрочняющий ролик, которые находятся в одной плоскости и в постоянном контакте с обрабатываемой поверхностью, очищающий ролик располагают перед упрочняющим, причем очищающий ролик изготавливают, например, спеканием стекловолокна и эпоксидной смолы. Упрочняющая обработка покрытия и упрочнение в процессе покрытия позволяют улучшить качество самого покрытия, увеличить его толщину, равномерно распределить добавки в покрытие.

Реализация способа. Технологический процесс по данному способу состоит из двух переходов. Переход "а" предусматривает предварительную подготовку поверхностей (упрочнение поверхностей, снижение исходной шероховатости, получение ювенильной поверхности), которая проводится упрочняющим роликом. При переходе "а" формируются благоприятные остановочные напряжения сжатия. На следующем, втором переходе (переход "б") на свободное пространство перед очищающим роликом подается жидкость для нанесения покрытия. За время опережения происходит реакция химического взаимодействия стальной поверхности с компонентами жидкости. Ионы солей хлорида меди (Cu⁺¹) и сернокислой меди (Cu⁺²) являются сильными окислителями. В качестве восстановителя используем формальдегид Н-СОН, при этом (в слабощелочной среде) протекает реакция окисления-восстановления:

2CuCl+2CuSO₄+6CH₂ O+6KOH 4Cu+6HCOOH +2KCl+2K₂SO ₄+3Н₂

В ионно-молекулярной форме:

2Cu ⁺¹+2Cu⁺²+6CH₂ O+6OН^- 4Cu+6НСООН+3Н₂

Происходит дегидрирование формальдегида в щелочной среде:

СН₂O+КОН НСООН+Н₂

или

СН₂O+ОН ^- НСООН+Н₂

Выделившийся водород (при рН>7) восстанавливает ионы Cu⁺¹ и Cu⁺²;

2Cu⁺¹+2Cu⁺²+3Н ₂+6OН^- 4Cu+6OН

или

2CuCl+2CuSO₄ +3Н₂+6КОН 4Cu+6Н₂O+2KCl+2K₂ SO₄.

Выделение водорода, наличие солей повышает кислотность среды, что увеличивает скорость осаждения.

Очищающий ролик стоит перед упрочняющим с целью снятия непрореагировавших компонентов и последующей подготовки поверхности для повторного нанесения покрытия. Давление в зоне контакта оптимизировано, с незначительным усилением (30-50 Н), в зависимости от свойств материала обрабатываемой поверхности, требуемой толщины покрытия, материала ролика.

При обработке внутренней поверхности угол опережения подачи жидкости составляет ˜270°

Образование покрытия происходит путем взаимодействия компонентов жидкости и силового воздействия инструментов. Предварительно образуется некоторый диффузионный слой "железо-медь", плавно переходящий в покрытие, что обеспечивает надежное сцепление покрытия с основой. Порошок дисульфида молибдена равномерно располагается в покрытии и служит для улучшения качественных показателей поверхностей с покрытием в процессе последующей эксплуатации детали.

Технологические параметры процесса обработки оптимизированы. Скорость вращения детали 60-80 м/мин. Время обработки единицы поверхности 15-20 сек. Усилие прижатия основного "упрочняющего" ролика находится в пределах 450-550 Н, которое зависит от свойств основного материала детали, ее конструктивных особенностей.

При сравнительных испытаниях деталей с покрытием оценивались физико-механические и триботехнические свойства покрытий, проводились исследования по определению скорости осаждения покрытий в зависимости от уровня кислотности состава (рН).

При испытаниях применялись покрытия составов, представленные в таблице 1.

Таблица 1
Состав композиций	Прототип	Пример 1
Хлорид меди	4-8	3,5-4,5
Сернокислая медь	-	3,5-4,5
Ацетамид	5-10	4-6
Мочевина	0,2-1,0	0,2-0,5
Стеариновая кислота	0,2-1,0	0,25-0,5
Дисульфид молибдена	-	3,5-5,0
Вода дистиллированная	8,0-10	8-10
Глицерин остальное

Предлагаемый состав готовится следующим образом. Соли хлорида меди и сернокислой меди в предложенных составах растворяются в равных частях дистиллированной воды, затем поочередно добавляются компоненты: ацетамид, мочевина, стеариновая кислота с постоянным перемешиванием, для улучшения растворяемости допускается подогрев состава до температуры 50-50°С. Дисульфид молибдена, после смачивания раствором спиртов, добавляется в готовый состав. Для облегчения процесса смешивания глицерин также подогревается до температуры 40°С. Готовый состав тщательно перемешивается и при необходимости диспергируется с использованием ультразвукового диспергатора. Жидкость для нанесения покрытия является дополнительным смазывающим средством при обработке, что снижает напряженность процесса и обеспечивает простоту реализации способа.

Микротвердость покрытия определяли по стандартной методике на микротвердомере ПМТ-3. Противозадирную стойкость и противоизносные свойства - на торцевом трибометре ТТ-1 в масляной ванне (И-20).

Давление в зоне контакта 7.5-8.0 МПа и средняя скорость перемещения трущихся поверхностей (образцов) 7,5-8,0 м/мин. При испытаниях нижний образец неподвижный.

Испытания показали, что покрытия предлагаемого состава по сравнению с прототипом (таблица 2) улучшают качественные показатели поверхностей с покрытием.

Таблица 2
№№ растворов СОЖ	Равномерный износ, мм 10-3	Микротвердость HRC, МПа	Протизадирные свойства
			Коэффициент трения	Время до начала схватывания, мин
Прототип	14,0-16,0	42000	0,16-0,14	90-95
Предлагаемый состав	12,5-12,0	45000	0,12-0,11	-200

Скорость осаждения покрытия представлена на чертеже, где 1 - предлагаемый состав, 2 - прототип. Из графика видно, что предлагаемый состав имеет более высокую скорость осаждения за счет увеличения кислотности состава.

Обрабатываемую деталь устанавливают и закрепляют в приспособлении или патроне токарного станка, базирование детали проводили по внутренней поверхности. Инструменты (упрочняющий и очищающий ролики) устанавливаются на единой державке для создания давления в зоне контакта, последние подпружиниваются. Каждый ролик имеет свою пружину, т.к. необходимы различные величины давлений. Установка закрепляется в резцедержателе станка.

После предварительной обработки на внутреннюю поверхность обрабатываемой детали перед роликами с опережением подается жидкость.

Исследования показали, что время осаждения покрытия предлагаемого состава составляет 15-20 с, а время осаждения прототипа до 30 с. Оба технологических перехода проходят без остановки вращения детали.

Повышается скорость осаждения покрытия, улучшается сцепляемость с основой за счет более глубокого проникновения ионов меди в поверхность основного металла при реализации условий граничной диффузии.

Использование предлагаемого изобретения позволяет повысить антифрикционные и эксплуатационные свойства поверхностей с покрытием.