Способ упрочнения деталей

 

Изобретение относится к области ремонта и упрочнения деталей металлургического, машиностроительного и другого оборудования. Задача изобретения - обеспечение высокой твердости упрочняемого слоя при одновременном снижении затрат на упрочнение деталей, а также утилизация отходов химического производства. Решение поставленной технической задачи достигается тем, что согласно способу упрочнения деталей, включающему нанесение на поверхность детали присадки, нагрев присадки и упрочняемого места, в качестве присадки берут смесь графита и/или сажи и углерод-кремний-татан-алюминийсодержащую отработанную контактную массу химического производства. Содержание графита и/или сажи в смеси назначают не менее 1% от массы смеси. Отработанная контактная масса химического производства может иметь следующий состав, мас.%: медь 0,10-10,00, железо 0,10-8,00, алюминий 0,05-7,00, титан 0,01-5,00, углерод 0,10-10,00, кремний остальное. Нагрев ведут до температуры не ниже 700^oС токами высокой или промышленной частоты, электрической дугой, плазмой, газовыми горелками. Техническим результатом данного изобретения является то, что использование в качестве присадки для упрочнения деталей смеси отработанной контактной массы и графита и/или сажи обеспечивает большую глубину и высокую твердость упрочненного слоя, позволяет снизить затраты на упрочнение детали, а также утилизировать отходы химического и металлургического производств. 1 с. и 7 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к ремонту изношенных и упрочнению новых деталей металлургического, машиностроительного и другого оборудования.

Известен способ упрочнения деталей, при котором на поверхность детали наносят присадку, состоящую из сплава и флюса, производят индукционный нагрев присадки и упрочняемого места детали [1].

Недостатком известного способа является то, что нагрев производят только индукционным способом, а в качестве присадки применяют дорогостоящий легированный сплав.

Наиболее близким является способ упрочнения деталей, при котором на поверхность детали наносят присадку и производят нагрев присадки и упрочняемого места детали [2].

Недостатком известного способа является то, что упрочненный слой имеет неравномерную твердость, которая повышается только в тех участках, куда проникли зерна присадочного материала, а также высокие затраты на упрочнение, т.к. в качестве присадки применяют дорогостоящий легированный сплав.

Техническая задача изобретения - обеспечение высокой твердости упрочненного слоя при одновременном снижении затрат на упрочнение деталей, а также утилизация отходов химического и металлургического производств.

Решение поставленной задачи достигается тем, что согласно способу упрочнения деталей, включающему нанесение на поверхность детали присадки, нагрев присадки и упрочняемого места, в качестве присадки берут смесь отработанной контактной массы химического производства и графита и/или сажи.

В химическом производстве в качестве катализатора широко применяют кремнийсодержащую массу, которая в дальнейшем не перерабатывается и удаляется в отвалы. Отработанная контактная масса имеет следующий состав, мас.%: Медь - 0,10-10,00 Железо - 0,10-8,00 Алюминий - 0,05-7,00 Титан - 0,01-5,00 Углерод - 0,10-10,00 Кремний - Остальное В металлургическом (кислородно-конверторном) производстве одним из отходов являются графит и сажа. Исследования показали, что использование в качестве присадки для упрочнения деталей смеси отработанной контактной массы и графита и/или сажи вместо специального легированного сплава обеспечивает большую глубину и высокую твердость упрочненного слоя, позволяет снизить затраты на упрочнение детали, а также утилизировать отходы химического и металлургического производств.

Наличие в отработанной контактной массе химического производства большого количества таких легирующих элементов, как углерода, кремния, титана и алюминия в указанном сочетании позволяет использовать контактную массу в присадке для упрочнения деталей, т.к. при ее использовании в поверхностном (упрочняемом) слое в процессе нагрева за счет перехода указанных элементов образуются прочные карбиды и интерметаллиды, а также упрочняется матрица основного металла наружного слоя детали за счет насыщения алюминием, титаном, углеродом и кремнием.

Однако содержание углерода в контактной массе чаще всего бывает недостаточным для значительного повышения твердости, поэтому отработанную контактную массу химического производства применяют в качестве присадки для упрочнения деталей в виде смеси с графитом и/или сажей, количество которых в смеси назначают не менее 1% от массы смеси. Кроме того, в отработанной контактной массе углерод может находиться в связанном состоянии, а следовательно, не участвует в диффузионном упрочнении детали. Эксперименты показали, что использование в смеси с отработанной контактной массой не менее одного процента графита и/или сажи и при нагреве до температуры не ниже 700^oС наблюдается интенсивное выделение атомарного углерода из графита и/или сажи, который принимает активное участие в диффузионном упрочнении детали.

Упрочнение детали можно производить как с оплавлением присадки и наружной части детали, так и без оплавления.

При упрочнении без оплавления в процессе нагрева упрочняемого места и присадки, благодаря указанному сочетанию в ней компонентов, уже при температуре 700^oС часть углерода из присадки за счет диффузии начинает интенсивно проникать вглубь детали, что приводит к повышению твердости металла, а также образованию твердого и прочного химического соединения - цементита. Другая часть углерода взаимодействует с алюминием, титаном и кремнием присадки с образованием твердых карбидов и интерметаллидов. При дальнейшем повышении температуры поверхности границы зерен упрочняемого металла переходят в твердожидкое состояние (т. к. они уже насыщены углеродом, а следовательно, эти участки имеют пониженную температуру плавления), что резко увеличивает скорость диффузии, в первую очередь углерода, вглубь металла с образованием твердой фазы - ледебурита.

В результате обработки в поверхностном слое образуется упрочненный слой с равномерной твердостью без наличия твердых и мягких участков, т.к. упрочнение получено за счет процесса диффузии, а не за счет перемешивания твердых зерен присадки и жидкой фазы основного металла.

Экспериментально установлено, что при использовании в присадке отработанной контактной массы химического производства нагрев присадки и упрочняемого места необходимо вести до температуры не ниже 700^oС, т.к. при меньшей температуре процесс диффузии легирующих элементов из присадки резко замедляется и эффект упрочнения проявляется слабо.

В связи с небольшим размером отдельных частиц (не более 1 мм) отработанной контактной массы и указанным содержанием в ней легирующих элементов в процессе нагрева присадки, начиная с 700^oС, отдельные частицы распадаются на более мелкие фракции, что усиливает процесс диффузии в твердой фазе.

В случае оплавления поверхности детали присадка уже находится в жидком состоянии, что обеспечивает ее равномерное перемешивание с основным металлом, а следовательно, обеспечивает равномерную высокую твердость наружного слоя детали.

При полном или частичном расплавлении упрочняемого места и присадки и высокой концентрации углерода в присадке в упрочненном слое также образуется ледебурит. Под оплавленным участком имеется диффузионный слой с повышенным содержанием легирующих элементов и плавным изменением твердости от значений оплавленного участка до твердости основного металла.

Нагрев присадки и упрочняемого места детали можно производить различными способами, например токами высокой или промышленной частоты, электрической дугой, плазмой, а также газовыми горелками. Достижение необходимого уровня температуры осуществляется регулированием режимов нагрева. Присадку на поверхность детали можно наносить в виде порошка или в виде пасты на клеящей основе.

Ниже приведены примеры реализации предложенного способа.

Пример 1. Упрочнению подвергается решетка грохота агломерационной машины. Решетка изготовлена из стали 20 с твердостью 70 HRB (микротвердость 120-140 HV). Упрочнению подвергают наружную часть решетки, которая при эксплуатации интенсивно истирается. Упрочнение осуществляют следующим образом: на поверхность решетки насыпают ровным слоем высотой 5 мм смесь, состоящую из 80% порошка отработанной контактной массы химического производства следующего состава, мас. %: медь 5,0; железо 1,5; алюминий 0,4; титан 0,2; углерод 5,0; кремний остальное и 20% графита. Размер частиц порошка - не более 1 мм. Нагрев присадки и поверхности производят токами высокой частоты (60000 Гц) с использованием петлевого индуктора. Нагрев наружной поверхности производят до 1200^oС (замер температуры осуществляют по зачеканенной термопаре), и выдерживают 5 с, после чего обработку прекращают. Металлографические исследования показали в наружной части решетки наличие твердого (58-61 HRC) диффузионного слоя глубиной до 7 мм, структура которого состоит из ледебурита с микротвердостью до 1100 HV, мелкоигольчатого мартенсита (до 850 НV) и карбидов (1300-1450 HV). Участков с исходной низкой твердостью и микротвердостью (120-140 HV) не обнаружено.

Пример 2. Решетку агломашины обрабатывают по способу, описанному в примере 1. Отличие состоит в том, что нагрев производят электрической дугой, горящей в инертном газе - аргоне. Обработку производят на режимах: сила тока 150 А, напряжение 18 В, скорость перемещения аргонодуговой горелки 22 м/ч.

Дополнительное преимущество использования предложенного способа заключается в утилизации отходов химического производства и улучшении экологии, т.к. в настоящее время отходы скапливаются в отвалах возле химических комбинатов. Одновременно с отходами химического производства утилизируются и такие отходы металлургического производства, как графит и сажа.

Использованные источники 1. Тимошенко В. П., Королев Н.В. Индукционная наплавка лемехов с регулируемым тепловложением // Сварочное производство. 1987. 10. С. 22.

2. Справочник по сварке / Под ред. Б.В. Соколова. Т. 2. М.: Машиностроение, 1962. С. 605.

Формула изобретения

1. Способ упрочнения деталей, включающий нанесение на поверхность детали присадки и нагрев присадки и упрочняемого места, отличающийся тем, что в качестве присадки берут смесь графита и/или сажи и углерод-кремний-титан-алюминийсодержащую отработанную контактную массу химического производства.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что содержание графита и/или сажи в смеси назначают не менее 1% от массы смеси.

3. Способ по любому из пп. 1 и 2, отличающийся тем, что используют отработанную контактную массу химического производства при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Медь - 0,10 - 10,00
Железо - 0,10 - 8,00
Алюминий - 0,05 - 7,00
Титан - 0,01 - 5,00
Углерод - 0,10 - 10,00
Кремний - Остальное
4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что нагрев ведут до температуры не ниже 700^oС.

5. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что нагрев ведут токами высокой или промышленной частоты.

6. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что нагрев ведут электрической дугой.

7. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что нагрев ведут плазмой.

8. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что нагрев ведут газовыми горелками.