Устройство для упрочнения поверхности металлических деталей

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(72) Авторы Овчинников Владимир Ильич Шмурадко Валерий Трофимович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(57) Устройство для упрочнения поверхности металлических деталей, включающее взрывную камеру, предметный стол для размещения на нем обрабатываемого материала, верхнюю крышку, днище и элементы крепления, отличающееся тем, что камера имеет два ускорителя, расположенных под углом друг к другу, в которых размещены фокусирующие воронки, являющиеся одновременно контейнерами для легирующего вещества, выполненные в виде цилиндра со сферическим верхом. Полезная модель относится к порошковой металлургии, в частности к устройствам для упрочнения и легирования взрывом и может быть использована для получения композиционных материалов с особыми физико-механическими свойствами. 38472007.10.30 Для получения новых материалов с уникальными свойствами нередко используется энергия взрыва, например при сварка разнородных материалов взрывом, синтезе композиционных керамических материалов и гидровзрывной штамповке давлением взрыва, упрочнении металлов взрывом и т.д. При высокоэнергетическом нагружении металлов потоками легирующего состава, ускоренных взрывом, получены совершенно необычные изменения структуры и свойств на поверхности твердых тел. Для получения высокоскоростных потоков легирующего вещества необходимы устройства (ускорители), позволяющие разогнать поток до скоростей 1000 м/с и более. Одним из таких ускорителей является предлагаемое устройство. Известно устройство для легирования металлов взрывом, включающее регулирующую опору, контейнер для легирующего состава, размещенный на опоре, и обойму для заряда взрывчатого вещества 1. Однако известное устройство для легирования обеспечивает получение в изделиях упрочненных зон небольшого размера (диаметром 30-40 мм), что ограничивает технологические возможности широкого применения процесса упрочнения. Известно также устройство для легирования взрывом, включающее недеформируемую регулирующую опору, контейнер для легирующего состава и заряд взрывчатого вещества 2. Данное устройство, также ограничивает технологические возможности процесса легирования. Кроме того, при его использовании имеет место достаточно большой удельный расход взрывчатого вещества. Решением, наиболее близким предложенному по технической сущности и принятым за прототип, является устройство для упрочнения взрывом, включающее камеру, которая содержит корпус, состоящий из центральной части, крышки, днища и предметного стола для установки на нем обрабатываемого материала. Крышка и днище снабжены, расположенными соосно центральными отверстиями. Предметный стол размещен в верхней части отверстия крышки, а днище снабжено радиальными наклонными отверстиями, сопряженными с его центральным отверстием. Крышка может быть выполнена в виде толстостенной трубы. Камера может быть снабжена рассекателем продуктов взрыва в виде конуса,расположенным в центральном отверстии днища 3. Однако указанное устройство позволяет проводить обработку деталей лишь за счет давления создаваемого продуктами взрыва, т.е. упрочнение материала осуществляется за счет деформационных процессов. Размещение обрабатываемой детали на столе вблизи взрывчатых веществ может привести к серьезным повреждениям ее поверхности. Еще одним недостатком является то, что устройство имеет один взрывной заряд, что позволяет проводить одностороннее динамическое нагружение деталей и ограничивает технологические возможности всестороннего легирования за один технологический цикл. Технической задачей полезной модели, является расширение технологических возможностей процесса легирования и создание устройства для получения высокоскоростных потоков легирующего состава высоких энергий, что позволяет в зависимости от режима процесса производить упрочнение поверхности деталей без ее повреждения, и получать поверхностное легирование на глубине до 50 мкм. Технический результат достигается тем, что устройство для упрочнения поверхности металлических деталей, содержащее взрывную камеру, предметный стол, для размещения на нем обрабатываемого материала, верхнюю крышку, днище и элементы крепления, согласно полезной модели, камера имеет два взрывных ускорителя, расположенных под углом друг к другу, в которых размещены фокусирующие воронки, являющиеся одновременно контейнерами для легирующего вещества в виде цилиндра со сферическим верхом. Ускорители выполнены из металлического корпуса, где размещается взрывчатое вещество, детонатор и кумулятивная цилиндрическая воронка. Кроме того, ускорители соединены с регулирующей опорой, которая обеспечивает фокусировку и распределение потока вещества. 38472007.10.30 Выбор цилиндрической кумулятивной воронки, являющейся контейнером для легирующего вещества и его состава (полимерные материалы с высоким содержанием С, О 2 и) обусловлены, как минимальным повреждением обрабатываемой поверхности, так наибольшей равномерностью распределения потока, что позволяет изменить микроструктуру поверхностного слоя до 50 мкм (вплоть до аморфизации) и обеспечить ее упрочнение или антифрикционные свойства в зависимости от легирующего состава. Анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство принципиально отличается как по исполнению наличием двух ускорителей, расположенных под углом друг к другу, что позволяет проводить трехстороннюю обработку поверхности деталей, так и конструктивными особенностями, позволяющими достигнуть эффекта минимального разрушения поверхностного слоя обрабатываемого материала. Наличие технологического ориентирующего канала (регулирующей опоры) с оптимальными размерными параметрами, подобранными экспериментально, позволяет сформировать равноплотный высокоскоростной поток вещества со скоростью 1000 м/с. Конструктивно-технологические параметры устройства определены на основании оценки кинетических и теплофизических условий процесса соударения и проникания потока, его разрушающего действия на поверхность образцов деталей. Наличие двух ускорителей, направленных под углом друг к другу, позволяют производить обработку поверхности, увеличивая эффективность устройства при минимальном повреждении,обеспечивая ее модификацию. Это позволяет считать, что устройство соответствует критерию новизна. Анализ сферы применения данного устройства в условиях взрывной обработки материалов показывает, что ускорители, входящие в предлагаемое устройство, известны. Однако при их применении с дополнительными изменениями в указанном конструктивном решении и другими элементами в заявляемом устройстве для обработки поверхности материалов, вышеуказанные ускорители проявляют новые свойства, что приводит к увеличению эффективности при минимальном повреждении поверхности за счет наличия в устройстве двух ускорителей, направленных под углом друг к другу, позволяющих проводить трехстороннюю обработку поверхности деталей за один процесс. На фигуре представлена структурная схема устройства для упрочнения поверхности металлических деталей. Устройство для упрочнения поверхности металлических деталей (фигура) содержит взрывную камеру 1, два взрывных ускорителя 2, предметный стол 3. Взрывная камера имеет верхнюю крышку 4, днище 5 и элементы крепления 6. Взрывная камера 1 представляет собой толстостенный металлический цилиндр, в который под углом 45 по отношению к предметному столу 3 и 90 относительно друг друга встроены взрывные ускорители 2 высокоскоростного потока вещества, которые состоят из металлического корпуса, где размещаются взрывчатое вещество 7, детонатор 8 и кумулятивная цилиндрическая воронка 9, являющаяся контейнером для легирующего состава 10, ускоритель крепится на регулирующей опоре 11, регулирующая опора 11 обеспечивает фокусировку и распределение потока вещества, предметный стол 3 служит для размещения и крепления деталей, верхняя крышка 4 с помощью болтов закрывает камеру сверху, массивное днище 5 закрывает камеру 1 снизу и служит для жесткости и устойчивости камеры, имеет крепление корпуса к опоре и столу образцов. Камера 1 имеет отверстия 12 для выхода продуктов взрыва. Устройство работает следующим образм. Для разгона потока легирующего состава до скоростей порядка 1-3 км/с, используется кумуляция энергии взрыва и воздействие ударных волн от зарядов взрывчатых веществ(ВВ), формируемых взрывными ускорителями 2, установленными в стенке взрывной камеры 1, при подрыве детонатора 8, срабатывает заряд ВВ 7, происходит концентрация энергии на выпуклой части кумулятивной воронки (контейнера) 9. 38472007.10.30 Стенки контейнера 9 сжимают легирующее вещество 10, которое под действием импульса давления переходит в кумулятивную струю. Сформировавшаяся кумулятивная струя через регулирующую опору 11 фокусируется и направляется на предметный стол 3,где находится обрабатываемый материал или деталь. Газообразные продукты взрыва, не участвующие в процессе, через отверстия 12 выходят наружу. В результате соударения потока с поверхностью обрабатываемых деталей за счет ударно-волнового нагружения и взаимодействия потока ионизированного вещества происходит объемная перестройка структуры поверхностного слоя глубиной до 50 мкм. Изменение микроструктуры приводит к изменению свойств увеличивается химическая стойкость на 20-40 , износостойкость 1,5-1,8 раза. Таким образом, экспериментальные исследования по обработке поверхности металлов показали, что по сравнению с прототипом устройство имеет следующие преимущества обеспечивает одновременную обработку и поверхностное упрочнение детали с трех сторон, расширяет технологические возможности обработки деталей сложной формы позволяет за один взрывной цикл повысить производительность процесса упрочнения поверхности деталей в 2-3 раза. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4