Способ повышения эксплуатационного ресурса инструмента и деталей механизмов

Автор: Марков А.С. Рецензируемый материал.

Изобретатель и установка

В статье приведена информация об ионной имплантации – одном из способов повышения эксплуатационного ресурса инструмента и деталей механизмов.

Сущность описанного процесса следующая: происходит внедрение в поверхность твердого тела ионизированных веществ с помощью ускоряющего электрического поля в вакууме (схематично процесс отображен на рисунке 1). Стоит отметить, что ионная имплантация является способом модификации поверхности и не заменяет термическую и химикотермическую обработку (закалку, нитроцементацию и т.п.), заложенную конструктором в чертеже инструмента или детали механизма. К тому же, чем меньше величина допустимого износа, тем выше величина достижимого повышения эксплуатационного ресурса.

Воздействие на поверхность: легирование, распад имеющихся и синтез новых соединений, фазовые превращения, измельчение кристаллической структуры, уменьшение плотности крупных дислокаций (микротрещин) при увеличении плотности мелких ("сток" крупных в мелкие), возникновение внутренних напряжений сжатия.

Рис. 1 Схема процесса

Рис. 2 Характер распределения имплантантов по глубине для различных материалов

Рис. 3 Оптимальные дозы имплантации

Глубина внедрения и характер распределения имплантантов по глубине зависят от материала детали, атомного радиуса иона, энергии иона (примеры см. Рис.2).

Доза имплантации (количество ионов, внедренных в единицу поверхности) различная и варьируется от 10¹⁷...10¹⁸ ион/см2 в зависимости от материала детали (примеры см. Рис.3).

Изменяемые составляющие ресурса: износостойкость (примеры см. Табл.1), коэффициент трения, усталостная прочность, коррозионная, эрозионная, кавитационная стойкость, адгезия к обрабатываемому материалу (для инструмента), химическая инертность к эксплуатационной среде.

Преимущества перед способами нанесения покрытий: отсутствие покрытия и проблем обеспечения его качества и сцепления с поверхностью, отсутствие капельной фракции (молекулярная дисперсность потока), отсутствие жестких требований к шерохо-ватости поверхности и к остроте режущих кромок (для инструмента), низкая температура разогрева деталей потоком ионов, отсутствие необходимости в нагреве деталей и контро-ле температуры, отсутствие изменения размеров деталей, существенно меньший расход распыляемых катодов и электроэнергии.

Номенклатура деталей для ионной имплантации, встречающихся в машиностроении: сложный, фасонный, высокоточный инструмент (протяжки, прошивки, развертки, дорны, шеверы, долбяки, фрезы, резцы, накатные ролики, дисковые ножи, метчики, гребенки, плашки, калибры, копиры, прессформы, штампы, фильеры, незакольцованные ленточные пилы); детали механизмов (валы, шестерни, кулачки).

Рис. 4 Некоторые примеры схем ориентации деталей в потоке ионов (камера установки ИОН-500)

Рис. 5 Изменение интенсивности и характера износа инструмента в зависимости от скорости резания

 Технологический процесс ионной имплантации выглядит следующим образом: входной контроль; выбор схемы ориентации деталей в потоке ионов (примеры см. Рис. 4); выбор химсостава потока ионов; внекамерная очистка (расконсервация - при необходимости, мойка, обезжиривание, сушка); обработка в установке ионной имплантации (очистка в тлеющем разряде аргона, очистка ионной бомбардировкой, ионная имплантация, охлаждение в газе); маркировка (при необходимости); консервация (при необходимости).

Высокие результаты достигаются при правильном выборе химсостава потока ионов для конкретного случая, исходя из характера износа и условий эксплуатации. На рисунке 5 приведено изменение интенсивности и характера износа инструмента в зависимости от скорости резания. На рисунке: 1- адгезия, 2 -  усталостный износ, 3 - абразивный износ, 4- термоусталостное разрушение, 5- окисление, 6- диффузионные процессы, 7- пластическое течение.

У "тихоходного" инструмента (протяжки, развертки, метчики, плашки и др.) преобладают адгезионная и абразивная составляющие интегрального износа, снижение которых происходит при имплантации готовых или синтезе химически инертных к обрабатываемому материалу и твердых веществ. Имеет место усталостная составляющая износа, снижение которой происходит при имплантации любых веществ.

У "скоростного" инструмента (резцы, фрезы и др.) преобладают окислительная и диффузионная составляющие интегрального износа, снижение которых происходит при имплантации готовых или синтезе веществ с высокой стойкостью к окислению и диффузии. Могут наблюдаться термоусталостное разрушение и пластическое течение поверхностных слоев, что требует имплантацию готовых или синтез веществ с высокой теплопро-водностью и высокой "горячей" твердостью.

У инструмента, работающего на оптимальных скоростях резания (резцы, фрезы, зенкеры и т.п.), могут наблюдаться все составляющие интегрального износа, что требует предварительного осмотра изношенного инструмента на конкретной операции и выделения преобладающей.

При выборе химсостава потока ионов при любом характере износа учитывается изменение адгезионной активности к обрабатываемому материалу, поскольку после имплантации изменится химсостав поверхности.

Информация предоставлена сайтом http://www.i-mash.ru/