Способ упрочнения деталей

 

Изобретение относится к ремонту и упрочнению деталей металлургического, машиностроительного и другого оборудования. Задача изобретения - обеспечение равномерной высокой твердости упрочненного слоя при одновременном снижении затрат на упрочнение деталей, а также утилизация отходов металлургического производства. Данный способ включает нанесение на поверхность детали присадки и нагрев присадки и упрочняемого места. Присадку берут со следующим соотношением компонентов, мас. %: FeO, и/или Fe₂О₃, и/или Fe₃O₄ 1,0-91,6, примеси 0,01 - 8,0, графит и/или сажа - остальное. Нагрев упрочняемого места ведут до 700-1500^oС и выдерживают в течение 2-300 с. Нагрев в процессе упрочнения может производиться токами высокой или промышленной частоты, электрической дугой, плазмой и газовыми горелками. Техническим результатом изобретения является обеспечение равномерной высокой твердости упрочненного места, снижение затрат на упрочнение деталей, а также утилизация отходов металлургического производства. 5 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 неравномерная твердость упрочненного слоя, т. к. упрочнение происходит за счет проникновения твердых частиц сплава в расплавленный основной металл.

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

Недостатком известного способа является неравномерная твердость упрочненного слоя, т.к. упрочнение происходит за счет проникновения зерен присадочного материала в мягкую основу, т.е. в упрочненном слое наблюдается чередование участков с высокой и низкой твердостью, что в дальнейшем приводит к неравномерному износу в процессе эксплуатации детали. Также недостатком являются высокие затраты на упрочнение, т.к. в качестве присадки используют дорогостоящий легированный сплав.

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

Решение поставленной задачи достигается тем, что согласно способу упрочнения деталей, включающему нанесение на поверхность детали присадки, нагрев присадки и упрочняемого места, присадку берут с содержанием углеродсодержащего вещества не менее 0,4% и содержанием оксидов железа в любом их соотношении не менее 1,0% от массы присадки, а нагрев упрочняемого места ведут до 700-1500^oС и выдерживают в течение 2-300 секунд. Углеродсодержащее вещество целесообразнее применять в виде графита и/или сажи. Рекомендуется следующий состав присадки: (1,0-91,6)% FeO, и/или Fе₂О₃, и/или Fе₃O₄, (0,01-8,0)% примеси, графит и/или сажа остальное, а также (1,0-30,0)% FeO, и/или Fе₂O₃, и/или Fе₃O₄, (1,0-30,0)% Сr₂О₃, графит и/или сажа остальное. Нагрев может производиться токами высокой или промышленной частоты, электрической дугой, плазмой или газовыми горелками.

Нагрев упрочняемого места и присадки с содержанием углеродсодержащего вещества по массе не менее 0,4% и содержанием оксидов железа в любом их соотношении не менее 1,0% приводит к протеканию экзотермических реакций: 2FeO+С=2Fe+СO₂ и/или 2Fе₂O₃+3С=4Fе+3СO₂ и/или Fе₃O₄+2С=3Fе+2СO₂.

Образовавшийся углекислый газ защищает нагретую поверхность от окисления, оттесняя воздух от нагретого участка, а восстановленное железо активно взаимодействует с частью углерода присадки по реакции: 3Fe+С=Fе₃С.

Образовавшийся цементит повышает прочность и твердость наружной части детали. Одновременно оставшаяся часть углерода за счет диффузии проникает вглубь детали, что приводит к повышению твердости металла, а также к образованию цементита и специальных карбидов (при наличии карбидообразующих элементов в металле детали). В связи с повышением температуры за счет протекания экзотермических реакций границы зерен упрочняемого металла вблизи поверхности находятся в твердожидком состоянии. В результате наблюдается интенсивная диффузия углерода по границам зерен вглубь металла, а затем в тела зерен с образованием твердой фазы - ледебурита.

В результате обработки в поверхностном слое образуется упрочненный слой с равномерной твердостью без наличия больших 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.

При содержании в присадке менее 0,4% углеродсодержащего вещества или менее 1,0% оксидов железа в любом их соотношении (FeO, и/или Fе₂О₃, и/или Fе₃O₄) значительного повышения твердости в упрочненном слое получить не удается.

При нагреве поверхности детали ниже 700^oС скорость диффузии углерода резко замедляется, а при нагреве выше 1500^oС, в совокупности с протеканием экзотермических реакций, наблюдается интенсивное оплавление поверхности и твердые частицы присадки начинают перемешиваться с жидким металлом, что приводит к неравномерной твердости в поверхностном слое детали (в основном из-за наличия включений оксидов железа).

Выдержка в заданном диапазоне температур менее 2-х секунд является неэффективной, т.к. глубина упрочненного слоя небольшая, а увеличение времени выдержки более 300 секунд уже не приводит к повышению эффекта упрочнения. Небольшая длительность выдержки используется при нагреве до максимальной температуры, а наибольшая до минимальной.

Присадка может состоять из оксидов железа, и углеродсодержащего вещества, а также может содержать другие компоненты, но при обязательном содержании в ней оксидов железа не менее 1,0% и углеродсодержащего вещества не менее 0,4%.

Наибольшая глубина диффузии углерода наблюдается при введении углеродсодержащего вещества в присадку в виде графита и/или сажи.

Рекомендуется присадка следующего состава, мас.%: FeO, и/или Fе₂O₃, и/или Fе₃O₄ - 1,0-30,0 Сr₂O₃ - 1,0-30,0 Графит и/или сажа - Остальное
При использовании присадки с Сr₂О₃, кроме указанных выше протекает реакция:
2Сr₂О₃+4С=Cr₄C+3СО₂
Образовавшийся карбид хрома тоже приводит к упрочнению детали.

В присадке также могут быть использованы другие элементы, которые при нагреве образуют твердые и прочные соединения друг с другом или с железом и углеродом.

Нагрев присадки и поверхности упрочняемого места детали можно осуществлять различными способами, например, токами высокой или промышленной частоты, электрической дугой, плазмой, газовыми горелками.

Одним из отходов металлургического (прокатного) производства является окалина, образующаяся в большом количестве на станах горячей прокатки, которая состоит преимущественно из оксидов железа. Использование окалины в смеси с углеродсодержащим веществом, например, графитом и/или сажей, которые также могут быть отходами металлургического производства, в качестве присадки для упрочнения деталей обеспечивают равномерную высокую твердость упрочненного слоя при минимальных затратах на упрочнение. При этом утилизируются отходы металлургического производства.

Кроме оксидов железа в окалине также могут присутствовать оксиды тех металлов, которые входят в химический состав прокатываемого на стане сплава, например, это оксиды марганца, кремния, алюминия и другие. Как было установлено экспериментально, содержание этих и других веществ в присадке (где они являются примесями) может достигать 8,0%. Наличие примесей в зависимости от их химического состава и концентрации может привести к усилению эффекта упрочнения.

В этом случае рекомендуется следующий состав присадки, мас.%:
FeO, и/или Fе₂O₃, и/или Fe₂O₄ - 1,0-91,6
Примеси - 0,01-8,0
Графит и/или сажа - Остальное
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 порошок смеси, состоящей из следующих компонентов, мас. %: Fe₂O₃ - 30; примеси (оксиды марганца и кремния) - 2; графит - 68. Размер частиц порошка не более 1 мм. Нагрев присадки и поверхности производят токами высокой частоты (60000 Гц) с использованием петлевого индуктора. Нагрев наружной упрочняемой поверхности ведут до 1200^oС (замер температуры осуществляют по зачеканенной термопаре) и выдерживают 7 секунд, после чего обработку прекращают. Металлографические исследования показали в наружной части решетки наличие твердого (50-55 HRC) диффузионного слоя глубиной до 6 мм, структура которого состоит из ледебурита с микротвердостью 780-850 HV и троостомартенсита (микротвердость до 600 HV). Участков с исходной низкой твердостью и микротвердостью 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 осуществляют на режимах: сила тока 150 А, напряжение 18 В, скорость перемещения аргонодуговой горелки 22 м/ч.

Дополнительное преимущество использования предложенного способа заключается в равномерном износе упрочненного участка, что обусловлено равномерным распределением в нем твердости.

Источники информации
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 присадку берут со следующим соотношением компонентов, мас.%:
FeO, и/или Fе₂О₃, и/или Fе₃O₄ - 1,0 - 91,6
Примеси - 0,01 - 8,0
Графит и/или сажа - Остальное
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев упрочняемого места ведут до 700-1500^oС и выдерживают в течение 2-300 с.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что нагрев ведут токами высокой или промышленной частоты.

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что нагрев ведут электрической дугой.

5. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что нагрев ведут плазмой.

6. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что нагрев ведут газовыми горелками.