СПОСОБ ИНДУКЦИОННОГО УПРОЧНЕНИЯ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ

Название	СПОСОБ ИНДУКЦИОННОГО УПРОЧНЕНИЯ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ
Разработчик (Авторы)	Иванов Сергей Геннадьевич, Гурьев Алексей Михайлович), Гармаева Ирина Анатольевна, Гурьев Михаил Алексеевич, Малькова Наталья Юрьевна, Иванова Светлана Александровна
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2507027
Дата регистрации	21.09.2012
Правообладатель	федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ)
Область применения (класс МПК)	B22D 19/10 (2006.01) B23P 6/00 (2006.01)

Описание изобретения

Изобретение относится к машиностроению, в частности к индукционно-металлургическому способу упрочнения и восстановления стальных и чугунных деталей в соответствии с характером их износа, работающих в условиях абразивного изнашивания и при ударных нагрузках, и может быть использовано при производстве упрочненных деталей машин и инструмента в машиностроительной, металлургической, химической, строительной, и других отраслях промышленности, обладающих повышенным ресурсом работы.

Известен способ индукционного упрочнения и восстановления стальных деталей, включающий изготовление на восстанавливаемой поверхности детали углублений путем приварки пробковым швом стальных планок перпендикулярно направлению потока абразивной массы, воздействующей на деталь в процессе работы, заполнение полученных углублений тонким слоем легкоплавкой шихты, содержащей ПГ-Ср2 и переплав (Na₂B₄O₇+H₃BO₃) при следующем соотношении компонентов, мас.%: ПГ-Ср2 - 80, переплав (Na₂B₄O₇+H₃BO₃) - 20, толщиной до 1 мм, заполнение углублений металлокерамической крупкой, в качестве которой используют сплавы ВК или ТК грануляции 2,5-4 мм, и нанесение на полученную поверхность слоя порошковой шихты толщиной 3-4 мм, содержащей износостойкий сплав из ПГ-УСЧ35, ПГ-СР2 и флюса П1,5М при следующем соотношении компонентов, мас.%: ПГ-УСЧ35 - 75, ПГ-СР2 - 10, флюс П1,5М - 15, образующей матрицу, с последующим расплавлением ее индуктором (патент RU 2228242, МПК⁷ B23K 13/01, B22D 19/00).

Недостатками вышеописанного способа упрочнения и восстановления стальных деталей являются слабая адгезия наплавленного слоя металла, обусловленная необходимостью создания искусственных неровностей рельефа на упрочняемой поверхности, низкая износостойкость деталей с упрочненным слоем, полученным по этому способу (см. таблицу, № п/п 1, 2).

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности (прототипом) является способ индукционной наплавки стальных деталей, заключающийся в том, что предварительно поверхность детали насыщают вольфрамом и кобальтом на глубину 0,1-0,3 мм путем электроискрового легирования с использованием наплавочного оборудования, затем на поверхность детали наносят, а именно насыпают, шихту, содержащую твердый сплав ПС-14-80 и флюс при следующем соотношении компонентов, мас.%: твердый сплав ПС-14-80 - 85, флюс - 15, с толщиной слоя 3 мм. Далее нагревают деталь в индукторе токами высокой частоты на средних режимах с использованием высокочастотного генератора (патент RU 2338625, МПК B22D 19/00, B23K 13/01, B23H 9/00 (2006.01)).

Недостатками вышеописанного способа являются низкая технологичность вследствие использования дополнительной операции насыщения вольфрамом и кобальтом путем электроискрового легирования, пониженная стойкость, а именно износостойкость, деталей с наплавленным слоем, полученным по этому способу (см. таблицу, № п/п 3, 4), повышенные затраты вследствие необходимости применения дорогостоящих вольфрама и кобальта при условии их нанесения путем электроискрового легирования и вследствие необходимости применения дополнительного наплавочного оборудования.

Задачей изобретения является повышение технологичности процесса, стойкости, а именно износостойкости, деталей с наплавленным слоем, полученных по предложенному способу, а также экономичности.

Поставленная задача решается тем, что в способе индукционного упрочнения и восстановления деталей, включающем нанесение на поверхность детали шихты и нагрев токами высокой частоты, согласно изобретению на поверхность детали наносят шихту, содержащую карбид бора, фторид натрия, буру, сормайтовую крупку, толщиной слоя 0,5-5,0 мм при следующем соотношении компонентов, мас.%:

нагрев токами высокой частоты производят при удельной мощности 1,5-3,0 кВт на 1 см² поверхности детали с частотой 40-80 кГц в течение 1,5-5 минут до оплавления поверхности нанесенной шихты и образования на поверхности наплавленного слоя стеклообразной шлаковой корочки, после чего деталь с наплавленным слоем охлаждают на воздухе до температуры ниже 200°C и удаляют стеклообразную шлаковую корочку с поверхности наплавленного слоя.

Повышение технологичности процесса достигается путем нагрева детали токами высокой частоты при удельной мощности 1,5-3,0 кВт на 1 см² поверхности детали с частотой 40-80 кГц в течение 1,5-5 минут до оплавления поверхности нанесенной на деталь шихты, содержащей карбид бора, фторид натрия, буру, сормайтовую крупку, и образования на поверхности наплавленного слоя стеклообразной шлаковой корочки при отсутствии дополнительной операции электроискрового легирования.

Повышение износостойкости деталей, наплавленных посредством предложенного способа, обеспечивается частичным растворением в поверхностном слое наплавляемой детали компонентов шихты с образованием равнопрочной с основным металлом границы сплавления, а также легированием наплавленного материала бором с образованием боридной эвтектики, переходящей в диффузионный боридный слой на поверхности наплавленного материала и имеющей высокую поверхностную твердость и износостойкость.

Повышение экономичности процесса достигается путем получения на деталях наплавленных слоев, более чем в 2,5 раза превосходящих по механическим свойствам покрытия на готовых изделиях, полученных в соответствии со способом, выбранным в качестве прототипа, при отказе от электроискрового легирования вольфрамом и кобальтом и от дополнительного наплавочного оборудования.

Нанесение на литейную оснастку для получения детали шихты толщиной слоя 0,5-5,0 мм является оптимальным, так как при нанесении шихты толщиной слоя менее 0,5 мм формирования покрытия не наблюдается либо наплавленный слой получается «пятнистым», а при нанесении шихты толщиной слоя более 5,0 мм снижается экономичность процесса упрочнения и восстановления деталей вследствие перерасхода наплавочной шихты из-за ее неравномерного плавления и, кроме того, наблюдается формирование покрытия повышенной толщины, имеющего крайне неравномерный рельеф поверхности.

Содержание в шихте карбида бора в количестве 25-35 мас.% оптимально по причине того, что при его содержании ниже чем 25 мас.% не образуется диффузионный слой на поверхности наплавленного слоя, кроме того, образование боридной эвтектики, обладающей более высокими механическими и эксплуатационными характеристиками, также затруднено, а содержание карбида бора в шихте более 35 мас.% приводит к образованию в поверхностном слое хрупких составляющих, выкрашивающихся в процессе эксплуатации, что приводит к снижению ресурса работы наплавленной детали и ее катастрофическому износу.

Содержание в шихте фторида натрия в количестве 1-3 мас.% оптимально по причине того, что при содержании фторида натрия, меньшем чем 1 мас.%, происходит недостаточно полное растворение боридных соединений в поверхности детали и наплавленном слое, что приводит к получению наплавленных слоев, обладающих малым ресурсом работы, а при увеличении в шихте содержания фторида натрия выше чем 3 мас.% возможно окисление составляющих наплавленного слоя, что приводит к ухудшению геометрической точности изготовленной детали, неравнопрочному соединению и низкой износостойкости наплавленного изделия.

Содержание в шихте сормайтовой крупки в количестве 50-65 мас.% оптимально по причине того, что при содержании сормайтовой крупки, меньшем чем 50 мас.%, формируется упрочненный слой меньшей толщины, обладающий высокой хрупкостью, что может приводить к самоскалыванию наплавленного покрытия уже в процессе охлаждения. При содержании сормайтовой крупки, большем чем 65 мас.%, вследствие меньшего содержания флюса, формирования сплошной стеклообразной корки на наплавляемом покрытии не происходит, что приводит к местному окислению покрытия и угару легирующих элементов.

Нагрев токами высокой частоты производят при удельной мощности 1,5-3,0 кВт на 1 см² поверхности детали с частотой 40-80 кГц, что является оптимальным, так как вводимая мощность при температуре фазовых превращений пропорциональна частоте. При мощности, меньшей чем 1,5 кВт на 1 см², прогрев наплавляемой шихты и поверхности восстанавливаемой детали займет длительное время, кроме того, возрастает риск частичного непроплавления шихты. При частоте менее 40 кГц возрастает время нагрева при температурах выше 800°C, в результате чего возможно неполное сплавление наплавляемого покрытия и основного материала изделия, что может привести к последующему отслаиванию упрочненного слоя. При частоте более 80 кГц происходит быстрый нагрев шихты с последующим ее плавлением, тогда как поверхность изделия не успевает прогреться до подплавления - в результате чего происходит «сползание» наплавленного металла. При мощности нагрева более 3 кВт на 1 см² происходит быстрый разогрев, в результате чего возможен перегрев как наплавляемого материала, так и поверхности изделия, в результате чего формируется неблагоприятная микроструктура, обладающая низкими показателями стойкости.

Время нагрева токами высокой частоты, составляющее 1,5-5 минут, является оптимальным, так как при времени нагрева менее 1,5 минут не удается обеспечить равномерное расплавление шихты и сваривание ее с основой, при времени нагрева более 5 минут велик риск пережога как наплавляемого металла, так и поверхности изделия, что чревато наличием неметаллических включений на границе сплавления и слабой адгезией наплавленного слоя к восстанавливаемой поверхности.

Температура охлаждения детали с наплавленным слоем на воздухе ниже 200°C является оптимальной, так как при охлаждении на воздухе образуется оптимальная микроструктура наплавленного слоя. При температуре ниже 200°C все процессы формирования микроструктуры заканчиваются, также при температуре ниже 200°C стеклообразная шлаковая корка снимается без приложения усилий, тогда как при температуре выше 200°C для снятия шлаковой корки требуется затрачивать значительные усилия.

Предложенное изобретение поясняется таблицей, в которой приведены результаты испытаний на стойкость ножей для измельчения полипропиленовых корпусов аккумуляторных батарей, изготовленных из стали У10А.

Способ индукционного упрочнения и восстановления деталей осуществляется следующим образом. Шихту, содержащую карбид бора, фторид натрия, буру, сормайтовую крупку при следующем соотношении компонентов, мас.%: карбид бора 25-35; фторид натрия 1-3, бура 9-12, сормайтовая крупка 50-65, наносят на поверхность наплавляемой детали слоем от 0,5 до 5,0 мм. После этого деталь нагревают в индукторе токами высокой частоты при удельной мощности 1,5-3,0 кВт на 1 см² поверхности детали с частотой 40-80 кГц в течение 1,5-5 минут до оплавления поверхности нанесенной шихты и образования на поверхности наплавленного слоя стеклообразной шлаковой корочки. Затем деталь с наплавленным слоем охлаждают на воздухе до температуры ниже 200°C и удаляют стеклообразную шлаковую корочку с поверхности наплавленного слоя.

Изобретение иллюстрируется следующим примером.

Подвергали упрочнению деталь из стали У10А - нож для измельчения полипропиленовых корпусов аккумуляторных батарей, предназначенный для утилизации отработанных аккумуляторных батарей. Предварительно шихту, содержащую карбид бора, фторид натрия, буру, сормайтовую крупку (см. таблицу, № п/п 5-20), наносили на поверхность наплавляемой детали слоем толщиной 3 мм, после чего нагревали в индукторе токами высокой частоты при удельной мощности 2,0 кВт на 1 см² поверхности детали с частотой 60 кГц в течение 4 минут до оплавления поверхности нанесенной шихты и образования на поверхности наплавленного слоя стеклообразной шлаковой корочки. По окончании нагрева деталь с наплавленным слоем охлаждали на воздухе до температуры 190°C и удаляли с поверхности наплавленного слоя стеклообразную шлаковую корочку.

При этом на поверхности наплавленного слоя был получен диффузионный слой толщиной 0,01-0,015 мкм с микротвердостью 28000-32000 МПа, под которым находился наплавленный слой толщиной 1,5-2 мм, содержащий карбиды и карбобориды железа и хрома, а также боридную эвтектику сложного состава с микротвердостью 16000-20000 МПа (см. таблицу, № п/п 6-10, 16, 19, 20). Износостойкость ножа определяли по массе измельченных полипропиленовых корпусов аккумуляторных батарей.

Также осуществляли процесс упрочнения ножа в соответствии со способом индукционного упрочнения и восстановления стальных деталей, а именно ножа, выбранным в качестве аналога (см. таблицу, № п/п 1, 2), способом индукционной наплавки стальных деталей, выбранным в качестве прототипа (см. таблицу, № п/п 3, 4), и способом изготовления серийного ножа из стали У10А (см. таблицу, №21), которые также испытывали при измельчении полипропиленовых корпусов аккумуляторных батарей.

Как следует из приведенных в таблице данных, при наплавке деталей шихтой с содержанием компонентов за заявленными пределами стойкость упрочненных слоев снижается и происходит искажение размеров упрочненного изделия, приводящее к браку (см. таблицу, № п/п 5, 11, 13, 14) либо к формированию наплавленного слоя с низкими эксплуатационными качествами (см. таблицу, № п/п 12). Стойкость, а именно износостойкость, изготовленного в соответствии с предложенным изобретением ножа возросла в среднем в 4 раза по сравнению со стойкостью ножа, изготовленного в соответствии с прототипом.

Таким образом, использование предложенного изобретения позволяет увеличить износостойкость деталей, упрочненных и восстановленных в соответствии с предложенным способом, повысить технологичность и экономичность процесса индукционного упрочнения и восстановления деталей из чугунов и сталей. Заявленный способ может быть использован на любом предприятии, имеющем оборудование для термической обработки с применением токов высокой частоты, для производства деталей машин и инструмента, обладающих повышенным по сравнению с серийным в 2-10 раз ресурсом работы.

Режим работы ножей для измельчения полипропиленовых корпусов аккумуляторных батарей, изготовленных из стали У10А: абразивный износ, обусловленный наличием остатков активной пасты, в сочетании с коррозионным износом, обусловленным наличием сернокислотного электролита.

Формула изобретения

Способ индукционного упрочнения и восстановления деталей, включающий нанесение на поверхность детали шихты и нагрев токами высокой частоты, отличающийся тем, что на поверхность детали наносят слой шихты, содержащей карбид бора, фторид натрия, буру, сормайтовую крупку, толщиной 0,5-5,0 мм, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

нагрев токами высокой частоты производят при удельной мощности 1,5-3,0 кВт на 1 см² поверхности детали с частотой 40-80 кГц в течение 1,5-5 минут до оплавления поверхности слоя шихты и с образованием на поверхности детали наплавленного слоя стеклообразной шлаковой корочки, после чего деталь с наплавленным слоем охлаждают на воздухе до температуры ниже 200°C и удаляют стеклообразную шлаковую корочку с поверхности наплавленного слоя.

Изобретение "СПОСОБ ИНДУКЦИОННОГО УПРОЧНЕНИЯ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ" (Иванов Сергей Геннадьевич, Гурьев Алексей Михайлович), Гармаева Ирина Анатольевна, Гурьев Михаил Алексеевич, Малькова Наталья Юрьевна, Иванова Светлана Александровна) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога