RU2157860C2

RU2157860C2 - Method of friction-mechanical application of antifriction coating

Info

Publication number: RU2157860C2
Application number: RU98117683A
Authority: RU
Inventors: А.М. Колчаев; Е.Б. Трунин
Original assignee: Военный автомобильный институт
Priority date: 1998-09-25
Filing date: 1998-09-25
Publication date: 2000-10-20

Abstract

FIELD: methods of friction-mechanical application of antifriction coatings. SUBSTANCE: method includes application to surface of treated part of medium, for instance, gallium alloy and formation of main friction coating with help of tool from copper alloy with simultaneous rotary and reciprocation motions of tool and its additional motion in plane parallel to axis of treated part under action of ultrasonic vibrations with frequency of 14-16 kHz and amplitude of 30-45 mcm. In so doing, formation of main friction coating is carried out with simultaneous fusion of medium material in zone of contact and application together copper alloy to treated surface. EFFECT: higher wear resistance and adhesion strength of coating and increased process efficiency. 2 cl, 11 dwg, 1 tbl

Description

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. The invention relates to the field of deposition of antifriction coatings by the friction-mechanical method and can be used to increase the wear resistance of the inner cylindrical surfaces of tribological couplings operating in conditions of boundary friction.

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.A known method of friction processing of steel products [1], mainly the heads of railway rails, including rubbing the surface with a brass rod, translationally moving at an angle to the surface at a speed of 1.0-1.5 m / s under a pressure of 20-30 kgf / mm ² , with the simultaneous application of ultrasonic oscillations with a frequency of 18-20 kHz and an amplitude of 50-70 microns.

Данный способ используется для повышения износостойкости головок железнодорожных рельсов. This method is used to increase the wear resistance of the heads of railway rails.

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. However, this method cannot be applied to the treatment of internal and external cylindrical surfaces due to oscillations of the tool in the plane at an angle to the surface of revolution, which causes the tool to tear off the work surface and leads to a deterioration in the quality of the applied coatings.

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. The closest technical solution to the present invention is a method of friction-mechanical deposition of an antifriction coating on the surface of cast iron parts [2], including applying the medium and forming the main coating by simultaneously supplying a copper alloy, for example, BrOF 4-0.25 bronze and gallium alloy in solid state under pressure, ensuring the application of the material of the medium on the treated surface.

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. The disadvantage of this method is the low productivity of the application process, due to the insufficient nominal contact area of a copper alloy tool with the surface to be treated and the inability to use a large number of copper alloy tools due to the increase in the dimensions of the friction-mechanical processing device, which makes it impossible to process the inner surfaces of the sleeves most serial engines. The increase in processing speed causes the appearance of scoring on the working surface of the cylinder liners, which leads to a deterioration in the quality of the applied coating.

Изобретение направлено на повышение износостойкости, производительности процесса нанесения, качества наносимого покрытия. The invention is aimed at improving the wear resistance, productivity of the application process, the quality of the coating.

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. The solution to this problem is achieved by first applying a medium to the surface of the workpiece, and the copper alloy tool is additionally moved in a plane parallel to the axis of the workpiece, under the action of ultrasonic vibrations with a frequency of 14-16 kHz and an amplitude of 30-45 μm, while the formation of the main Friction coating occurs while melting the material of the medium in the contact zone and applying it together with the copper alloy to the treated surface, while gallium is applied as the medium.

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 Δt 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+ α) ) (фиг.2). Докажем, что путь инструмента S во втором случае больше, чем в первом. Разобьем отрезок AB на n частей с границами интервалов [(π/2)•m; π•(m+1)/2]. Произвольно выберем i-й отрезок, находящийся в интервале [(π/2)•m; π•(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 Δt = t₁ - t₂ конечное приращение ΔS 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: ΔS_2i> ΔS_1i. Путь, пройденный инструментом во втором случае:

где ΔS_2i 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.A copper alloy tool rotates, reciprocates while applying ultrasonic vibrations in a plane parallel to the axis of the workpiece. In the method specified in the prototype, the movement of the tool occurs along a helical path (Fig. 1). When the cylinder is scanned, we get a view of this trajectory in the plane (Fig. 2). The resulting segment "a" (Fig. 2) will be placed in the coordinate system by the center located at point A and the abscissa axis of the parallel line "a". Consider the following cases: 1) the tool path is a helix; 2) the tool path is a helix with the simultaneous imposition of forced vibrations in a plane parallel to the axis of the cylinder. In the first case, for some small period of time Δt, the tool trajectory can be depicted as a straight segment AB (Fig. 2). In the second case, over the same period of time, the instrument will perform additional forced oscillations under the action of a periodic force, which varies according to a harmonic law:
F = F ₀ sinwt, therefore, the resulting trajectory will be a sinusoid of the form: x = Asin (wt + α)) (figure 2). Let us prove that the path of the tool S in the second case is greater than in the first. We divide the segment AB into n parts with the boundaries of the intervals [(π / 2) • m; π • (m + 1) / 2]. We arbitrarily choose the ith segment located in the interval [(π / 2) • m; π • (m + 1) / 2]. Since we determine the path S, we will consider the line "a" in the coordinate system v (t) (Fig. 3). The elementary increment of the path is dS = Vdt. When the time changes from t ₁ to t ₂ in the interval Δt = t ₁ - t _{2, the} final increment ΔS is determined by the sum dS for all dt, i.e. integral

Like any definite integral, it is numerically equal to the area of the hatched figure bounded by the t axis, the perpendiculars restored to it from t ₁ and t ₂ and the curve V (t). Therefore: ΔS _2i > ΔS _1i . The path traveled by the tool in the second case:

where ΔS _2i is taken modulo. Then S ₂ > S ₁ and, therefore, the path traveled by the tool in the proposed method for the same time is greater than the path of the tool when machining the part in the manner specified in [2,3]. Thus, the proposed method of friction-mechanical deposition of antifriction coatings increases the productivity of the application process in comparison with the prototype.

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. With the same contact time of the copper alloy tool and the surface in the proposed method, the tool travels a greater path compared to the prototype, at the same time, the oxide film is destroyed with the creation of favorable compressive stresses in the contact zone. This leads to a shift and subsequent crushing of the protrusions of the irregularities with the simultaneous opening and filling of the medium and the copper alloy with cavities, mouths of microcracks and micro-irregularities.

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. Moving the tool along a helical path with simultaneous movements in a plane parallel to the axis of the workpiece with the specified amplitude-frequency parameters, leads to a local increase in temperature in the contact zone, contributes to the intensification of diffusion processes, the penetration of gallium, indium and copper atoms to a great depth and at high speed , which increases the tangential adhesive strength of the applied anti-friction coating.

В результате происходит качественно новая обработка поверхности (по сравнению с прототипом), что повышает износостойкость обрабатываемых поверхностей, производительность процесса нанесения и качество наносимого покрытия. The result is a qualitatively new surface treatment (compared with the prototype), which increases the wear resistance of the treated surfaces, the productivity of the application process and the quality of the applied coating.

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. The optimality of the indicated amplitude-frequency limits for introducing the components of the medium and the copper alloy into the treatment zone is determined by the necessary time of interaction of the alloying components with the material of the medium and the diffusion of gallium, indium and copper atoms to a large depth at a high speed.

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. At an oscillation amplitude below 30 μm and a frequency below 14 kHz, the degree of deformation and temperature in the treatment zone become insufficient for diffusion of the medium components to the required depth, which reduces the tangential adhesive strength of the applied antifriction coatings.

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. An increase in the amplitude of ultrasonic vibrations above 45 μm and the oscillation frequency above 16 kHz leads to a significant burnout of alloying elements from the surface treatment zone of the product and a decrease in the wear resistance of the surface layer of the product.

На фиг. 4 приведена схема реализации предлагаемого способа. In FIG. 4 shows a diagram of the implementation of the proposed method.

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. The sleeves were machined from cast iron SCH 24. The treatment of the inner surfaces of the sleeves was carried out by a device for the friction-mechanical deposition of antifriction coatings (Fig. 4). For this, the device was fixed in the cartridge 28 of the honing semiautomatic device ZK833. Before work, bars 9 of medium material and bars 8 of copper alloy are fixed on rods 7 and hollow rods 6. The device is inserted inside the cylinder liner 10. The machine is turned on and the device begins to rotate and reciprocate.

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. Then the spool 26 of the uncoupling valve (Fig.6) is moved to position IV and air is supplied into the cavity I. Under air pressure, the rod 7 extends, and the bar 9 connected to it is pressed against the workpiece surface 10. The pressure in the cavity 1 increases until the moment of actuation valve 19 (Fig. 5) and is 0.3 MPa. Due to the heat released during friction of the bar 9 on the surface, intense heating of the material of the medium in the contact zone occurs.

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. After actuation of the valve 19, the spool 26 of the uncoupling valve is moved to position V, air is supplied into the cavities I, II. Under air pressure, the glasses 5 extend and, through the hollow rods 6, press the bars 8 to the surface to be treated.

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. At the same time, include an ultrasonic generator 29 of the brand UZG10-22, generating electric vibrations with a frequency of 14-16 kHz (Fig. 7), transmitted to the magnetostrictive transducer 30 (Fig. 4) of the ПМС 15А-18 brand, where they are converted from electric vibrations to mechanical ones frequency and amplified using plates 33 (figure 4) of a magnetostrictive transducer, playing the role of a waveguide, transmitting cyclic vibrations to the bars 8 of a copper alloy.

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. The magnetostrictive transducer 30 was mounted on the body 31 of the honing semiautomatic device by means of brackets 32. The pressure in the cavity II increases until the valve 18 is actuated, which corresponds to the pressure of the bars 8 made of copper alloy against the workpiece surface equal to 0.6 MPa. When the above pressure is reached, the material of the medium melts in the contact zone and is deposited together with the copper alloy on the treated surface 10.

Для получения сравнительных результатов проводили испытания на износостойкость образцов с нанесенным антифрикционным покрытием известным и предлагаемым способами. To obtain comparative results, tests were carried out on the wear resistance of samples coated with an antifriction coating by known and proposed methods.

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.Tests for wear resistance were carried out on a standard friction machine SMC-2 according to the scheme of a rotating disk - fixed block. The tests were subjected to samples made of sleeves subjected to friction-mechanical deposition in the following modes: pressure of the tool on the treated surface P ₁ = 0.6 MPa; tool pressure from a medium material P ₂ = 0.45 MPa, hone rotation frequency n = 114 min ⁻¹ , hone reciprocating speed, S = 1.5 m / s.

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.The control was a disc made of cast iron VCh50 with a diameter of 100.54 mm. Lubrication mode of a friction pair of a disk block: one drop of motor oil of brand M-1OB ₁ after 5 minutes of operation. Running-in mode: time - 15 min, pressure in the contact -1.6 MPa, sliding speed - 2.63 m / s. Test mode: nominal pressure in the friction contact 2 MPa, sliding speed 5 m / s, time 4 hours

Критерием изнашивания принималась потеря массы образца за период изнашивания. Взвешивание образцов проводили на аналитических весах ВЛА-200 мг. Износостойкость сопряжения определялась по формуле:

где A_a - номинальная площадь контакта, м²;
ρ_1,2 - плотность изнашиваемого материала, кг/м ;
L_тр - длина пути трения, на котором произошло изнашивание, м;
x_1,2 - отношение номинальной площади контакта детали к площади поверхности трения x_1,2 = Aа/Aт_1,2, где Aт_1,2 - площадь поверхности трения: колодки (Aт₁) и диска (Aт₂), м²;
ΔG_1,2 - масса изношенного элемента: ΔG₁ (колодки из гильзы) и ΔG₂ (диска), кг.The wear criterion was taken as the weight loss of the sample over the wear period. Weighing of the samples was carried out on an analytical balance VLA-200 mg. The wear resistance of the pair was determined by the formula:

where A _a is the nominal contact area, m ² ;
ρ _1,2 - the density of the wear material, kg / m;
L _Tr - the length of the friction path on which the wear occurred, m;
x _1.2 is the ratio of the nominal contact area of the part to the friction surface area x _1.2 = Aa / At _1.2 , where At _1.2 is the friction surface area: pads (At ₁ ) and disk (At ₂ ), m ² ;
ΔG _1,2 is the mass of the worn element: ΔG ₁ (pads from the sleeve) and ΔG ₂ (disk), kg

Определение величины пути трения в процессе испытаний проводили с учетом количества оборотов (n_ц), совершаемых образцом. Значение n_ц фиксировалось импульсным счетчиком СИ 206ХЛ-4, встроенным в потенциометр КСП-2-005, который входит в комплект машины трения СМЦ-2.The determination of the magnitude of the friction path during the tests was carried out taking into account the number of revolutions (n _c ) made by the sample. The value of n _{c was} recorded by a SI 206KHL-4 pulse counter built into the KSP-2-005 potentiometer, which is included in the set of the SMTS-2 friction machine.

Результаты сравнительных испытаний на износостойкость представлены в таблице. The results of comparative tests for wear resistance are presented in the table.

Результаты исследования тангенциальной прочности адгезионной связи покрытий, полученных предлагаемым и известным способами, представлены в таблице. The results of the study of the tangential strength of the adhesive bond of the coatings obtained by the proposed and known methods are presented in the table.

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. As the analysis of the table data shows, the performance of the proposed method is 4 times higher compared to the known one. The wear resistance of the mates processed by the proposed technology is 1.49 times greater than the wear resistance of the mates processed by the known technology. The tangential strength of the adhesive bond tribo-coatings formed on the proposed modes, 1.27 times higher compared with the same indicator for coatings applied in a known manner.

Таким образом, использование предлагаемого способа фрикционно-механического нанесения на внутренние цилиндрические поверхности позволяет повысить износостойкость сопряжения, производительность процесса нанесения, адгезионную прочность наносимого покрытия. Thus, the use of the proposed method of friction-mechanical deposition on the inner cylindrical surfaces allows to increase the wear resistance of the interface, the performance of the application process, the adhesive strength of the applied coating.

Claims

1. A method of friction-mechanical deposition of an antifriction coating, comprising feeding a medium and a copper alloy tool to the surface of the workpiece while simultaneously rotating and reciprocating the tool to form the main friction coating, characterized in that the medium is first applied to the surface of the workpiece, and a copper alloy tool is additionally moved in a plane parallel to the axis of the workpiece, under the influence of ultrasonic vibrations with a frequency of 14 - 16 kHz and an amplitude of 30 - 45 μm, while the formation of the main friction coating occurs while melting the material of the medium in the contact zone and applying it together with the copper alloy on the surface to be treated.

2. The method according to claim 1, characterized in that gallium is applied as a medium.