Устройство для электроконтактного спекания и наварки порошков

 

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН

К ПАТЕНТУ

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 4893485/08 (22) 25.12.90 (48) 30.10.93 Бюл Ма 39-40 (71) Брянский институт транспортного машиностроения (72) Рыморов Е.В„ Амелин ДВ„Протопопова EE (73) Рыморов Евгений Васильевич (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОГО СПЕКАНИЯ И НАВАРКИ ПОРОШКОВ (57) Использование: область порошковой металлургии и нанесения покрытий на металлические изделия электроконтактной сваркой, в частности для восстановления и упрочнения деталей машин

Сущность изобретения: установка содержит токоподвод 1, верхний электрод — пуансон 2, матрицу 3 (В) RÖ (1Ц 2001727 Cl (51) 5 В 23 К 11 00 В 23 К11 Об

B22F7 00 пресс-формы, в которую насыпается порошок 4, упрочняемую деталь 5, устанавливаемую на нижнем электроде-пуансоне 6, сварочный трансформатор 7 с аппаратурой управления, механизм, создающий давление сжатия P. По крайней мере один электрод-пуансон выполнен в виде концентричных вставок из разнородных материалов с убыванием электропроводности от периферии к центру сечения от 96% электропроводности меди до нуля %.

Устройство позволяет увеличить тепловыделение в периферийных объемах порошка, что компенсирует потери тепла в них и обеспечивает одинаковую плотность спеченного материала периферийных и центральных объемов. 1 табл. 4 ил.

2001727

Изобре(ение относится к порошковой металлургии и нанесению покрытий на ме аллические изделия электроконтактной сваркой и может быть использовано для спекания деталей из порошков, а также для восстановления и упрочнения деталей машин, Известны устройства для спекания и наварки порошков под давлением, в которых нагрев осуществляется при прямом пропускании через порошок электрического тока.

Они содержаг сварочный трансформатор с аппаразурой управления, механизм давления, пресс-форму и электроды-пуансоны.

При этом электроды-пуансоны осуществлч.а сжатие порошка, подводят электрическии ток, обеспечивающий тепловыделение в порошковом слое.

В поверхностных объемах порошковой .:г- эл. илн слоя, примыкающих к стенкам

ipecc-формы и к электродам-пуансонам, liëîòíîñòü спеченного материала ниже, по сравнению с сердцевиной. Это связано с зем, что уже в начальной стадии процесса, холодном прессовании, еще до момента нагрева, плотность спрессованного порошка неравномерна. Она самая высокая в середине сечения порошкового материала и значительно ниже на периферии, из-за потерь усилия сжагия на трение о стенки прессформы или из-за свободного выдавливания в стороны периферийной части порошка при прессовании в открытой (полуоткрытой) пресс-форме.

В результате этого плотность электрического тока, подводимого торцовыми контактными поверхностями электродов-пуансонов во время спекания, будет распределена неравномерно по сечению порошка, Плотность тока оказывается выше там, где ниже электросопротивление порошка, в связи с чем имеет место значительный градиент температур по сечению спекаемого порошка, Сердцевина порошкового обьема, зажатого между электродамипуансонами, перегревается (иногда даже до плавления), в то время, как периферийные зоны оказываются полуспеченными. Это усугубляется еще и тем, что из периферии порошкового материала имеют место по ери тепла в результате теплоизлучения в окружающее пространство (при полуоткрытой пресс-форме) и теплопередэча в пресс-форму (при закры той пресс-форме).

Это приводит к неравномерности плотности и других свойств материала в различных частях спеченной детали или наваренного слоя. Попытки выравнять качество во всех зонах порошкового материала повторным спеканием не дак;т заметного

55 положительного результата. Кроме того, это приводит к увеличению затрат на спекание и наварку.

Известны устройства для нанесения спеченных покрытий, когда напрессование осуществляется циклически скошенным пуансоном, При этом необходимый градиент температурного поля достигается изменением электросопротивления цепи электрического тока в результате переменной толщины слоя порошка по длине прессуемого участка в соответствии со скосом токоподводящего электрода-пуансона.

Недостатком этого устройства является необходимость циклического перемещения иэделия с порошком через зону напрессовнвания, а также необходимость доуплотнения порошка, что осуществл ется в последующем цикле прессования и спекания, Все это увеличивает время спекания и повышает затраты.

Известно также устройство, применяемое при электроконтактной точечной сварке, в котором рабочую часть электродов по всему их сечению выполняют из другого материала, электро- и теплопроводность которого ниже, а твердость выше, чем у основания электрода. С этой целью на конце электрода припаивают или механически закрепляюг вставки из вольфрама, молибдена, композиционных сплавов. Недостатком таких электродов является то, что такая конструкция не обеспечивает перераспределение тока по сечению электрода-пуансона, а способствует только повышению их долговечности, Наиболее близким по технической сущности является устройство, применяемое при электроконтактной наварке порошков, в котором применены электроды, по периферии которых располагаются дополнительные уплотнительные элементы.

Недостатками таких устройство является то, что эти дополнительные наружные уплотнительные элементы не являются токоведущими и не обеспе <ивают перераспределения электрического тока, подводимого для нагрева порошка, а также эффективность их применения проявляется только при наварке порошкового слоя без использования пресс-формы, что ограничивает их применение и не позволяет использовать для получения высококачественных порошковых деталей и слоев с применением пресс-форм. При применении устройства-прототипа велики затраты электроэнергии, так как наварка порошкового слоя без пресс-формы требует уплотнения порошка, что увеличивает число необходимых повторных циклов спекэния и

2001727

55 ведет к дополнительному расходу электроэнергии, Целью изобретения является повышение качества и снижение затрат электроэнергии, Это достигается тем, что в устройстве, содержащем сварочный трансформатор с аппаратурой управления, механизм давления и токоподводящие электроды-пуансоны. последние выполнены в виде концентричных вставок из материалов, электропроводность которых убывает от периферии к центру сечения в пределах от 96 до 0 электропроводности меди.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявленное устройство отличается тем, что токопроводящие электроды-пуансоны выполнены составными из разнородных материалов, причем они конструктивно выполнены так, что их электропроводность убывает к центру сечения.

Это обеспечивает при спекании снижение плотности тока в сердцевине сечения спекаемого или навариваемого порошкового материала, Благодаря этому тепловыделение в периферийных объемах порошка будет больше, что компенсирует также потери тепла из этих зон и обеспечивает одинаковую плотность спеченного материала периферийных и центральных объемов, Таким образом происходит направленное изменение градиента температур, приводящее к выравниванию плотности порошка по всему токопроводящему сечению материалов, Необходимое качество спеченного материала обеспечивается за один цикл нагрева при минимальных затратах.

Уменьшение затрат на спекание при использовании предложенного устройства достигается за счет меньшей длительности цикла и одноразового нагрева, тогда как при спекании на установке-прототипе цикл нагрева более длительный и требуется не менее одного цикла повторного нагрева одного и того же объема порошка. В связи с этим расход электроэнергии при использовании заявляемого устройства в 8 — 10 раз ниже при получении одинаковой плотности спеченного порошкового материала.

Конструкция электродов-пуансонов в виде концентрически расположенных вставок из материалов разной электропроводности, убывающей до нуля к центру сечения, объясняется невозможностью конструктивного выполнения электродов-пуансонов с плавно изменяющейся электропроводностью.

Применение электродов-Ilóÿ t:oíîâ B виде концентрично устанавливаемых RcT3вок позволяет изменять электропро: одность в пределах от 96 электропроводности меди на периферии до

0 в центре их контактной поверхности. В предложенном изобретении для наружной вставки предложено использовать бронзу марки Бр.Х, электропроводность которой составляет 96о электропроводности меди.

Чистая медь, хотя и имеет большую электропроводноть, но имеет низкую стойкость, быстро сминается, изнашивается, Для условий электроконтактного спекания и наварки порошков наилучшими свойствами по стойкости при достаточно высокой электропроводности (96% от электропроводности меди) показала бронза марки Бр.Х.

Далее в направлении к центру сечения электрода-пуансона располагаются вставки из материалов с уменьшающейся электропроводностью, но в то же время имеющие достаточно высокую износостойкость при высоких температурах спекания порошков.

Их число и геометрические размеры (площадь токопроводящего сечения) определяются для каждого конкретного случая экспериментально. Для одних порошков поставленной цели можно достигнуть при использовании в центре сечения материала, электропроводность которого близка к нулю (металлические порошки), для других же, когда в центре сечения располагается вставка, материал которого имеет только пониженную по сравнению с остальными вставками зле ктроп ро води мост ь (дл я смесей металлических порошков с неметаллическими). Кроме того на выбор материалов, числа и геометрических размеров вставок будут влиять также конкретные размеры поперечного сечения и высота слоя порошка, условия теплоотдачи, рассеивание тепла и т.п., что в каждом конкретном случае требует экспериментального подбора.

На фиг.1 приведена схема точечной наварки порошка на деталь; на фиг.2 — схема устройства для спекания порошковой детали; на фиг.3 — разрез А — А на фиг,1 для злектрода-пуансона круглого сечения; на фиг,4 — разрез А — А на фиг.1 для электрода прямоугольного сечения, Предлагаемое устройство для электроконтактного спекания и наварки порошков имеет электрододержатель (фиг.1 и 2), верхний электрод-пуансон 2, пресс-форму 3 с порошком 4. Пресс-форма устанавливается на поверхности детали 5, которая размещается на нижнем электроде-пуансоне 6 (фиг,1) (в случае наварки порошка на деталь), либо пресс-форма (фиг,2) устанавли2001727

50 вается между верхним 2 и нижним 6 электродами-пуансонами (в случае спекания детали).

Сварочный трансформатор 7 (фиг,1 и 2) с аппаратурой управления обеспечивают питание электрическим током

Механизм давления устройства создает необходимое давление сжатия P (фиг.1 и 2).

Устройс гво работает следующим образом.

При нэварке порошкового материала деталь 5 (фиг.1) устанавливают на нижний электрод-пуансон 6 и в пресс-форму 3 насыпают порошок 4. Опускают верхний электрод-пуансон 2 и производят холодное прессование порошка 4 без тока усилием Р, l3 резуяьгате этого порошковый материал омзывзегся предварительно уплотненным, 1ричем из-за потери давления прессования нл трение о стенки пресс-формы, периферийные объемы порошка будут иметь меньшую по сравнению с центральными плотность и более высокое электросопро.ивление. Затем включается сварочный рансформагор 7 и импульсы тока большой

-. глы проходят через электродержатель 1, электрод-пуансон 2, порошок 4, деталь 5 и нижний электрод-пуансон 6, Так как верхний электрод-пуансон 2 из-оговлен составным (см,фиг.3 и 4) и из материалов, электропроводность которых убывает к центру сечения. касающемуся порошка. плогность тока оказывается выше в периферийной части и ниже в центральной части порошка. При двухстороннем прессовании и спекании деталей (фиг,2), особенно когда длина превышает размеры поперечного сечения детали, составными будут оба электрода-пуансона.

В соответствии с величиной плотности тока в периферийных объемах порошка byдет выделяться большее количество тепла по сравнению со средней частью, что компенсирует теплоотвод и потери тепла из периферийных объемов и обеспечивает одинаковую плотность порошкового материала по всем зонам поперечного сечения, а также хорошее сцепление наваренного порошка с деталью. Не требуется повторный нагрев, доуплотнение порошка.

Наваривали порошковую смесь железо плюс 30 феррохрома на контактной сва5

40 рочной машине MP-400. Пресс-формы были изготовлены из асбестцемента. В качестве подложки использовали пластину толщиной

20 мм из стали 3, Составной электрод-пуансон имел сердцевину из асбестцемента, электропроводность которого близка нулю. Далее располагается вставка иэ легированной стали марки Х18Н10Т, имеющая электропроводность 0,83 м/Ом.мм (1,4 от электропроводности меди), далее вставка из стали 10 с электропроводностью 10,2 м/Ом.мм (17,5 от электропроводности меди), затем вставка из никельберильевой бронзы марки НБТ, электропроводность которой составляет 65;(от электропроводности меди и, наконец, вставка из хромовой бронзы марки Бр.Х, электропроводность которой составляет 96 от электропроводности меди.

Результаты экспериментов при наварке по схеме фиг,1 приведены в таблице.

Как видно из таблицы материал, наваренный в соответствии с предлагаемым техническим решением, имеет более высокую плотность, незначительный разброс плотности (3 ), пониженный расход электроэнергии (в 4,4 раза), Экспериментальные исследования заявляемого устройства для электроконтакт.ного спекания и наварки порошков показали, что по сравнению с прототипом заявляемое устройство обеспечивает повышение качества (более высокую плотность полученного порошкового материала и незначительный разброс плотности по сечению слоя), а также снижение затрат (снижается расход электроэнергии и затраты труда), (56) Амелин Д,В. и Рыморов Е,B. Новые способы восстановления и.упрочнения деталей машин электроконтактной сваркой. М.; ВO

Агропромиздат, 1987, с.151.

Авторское свидетельство СССР

М 460942, кл. В 22 F 7/00, 1973.

Слиозберг С,К., Чулошников П.Л. Электроды для контактной сварки. Л.; Машиностроение, 1972, с.58.

Авторское свидетельство СССР

% 326027, кл. В 23 К 11/00, 1970.

2001727

Формула изобретения:

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОКОНТАК ТНОГО СПЕКАНИЯ И НАВАРКИ ПОРОШКОВ. содержащее сварочный трансформатор с аппаратурой управления, механизм давления и токоподводящие электроДы-пуансоны, отличающееся тем, что, с целью повышения качества и снижения затрат электроэнергии, электроды-пуансоны выполнены в виде концентричных вставок из материалов, электропроводность которых убывает or периферии к центру сечения в пределах от 967ь до нуля электропроводности меди.

2001727

Составитель Е. Рыморов

Техред M.Ìîðãåíòàë корректор Н. Милюкова

Редактор

Заказ 3145

Тираж . Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035. Москва. Ж-35, Раушская наб.. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент". г. Ужгород, ул.Гагарина, 101