Способ упрочнения стальных деталей

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВЙДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик о1>969?5? (61) Дополнительное х авт. свид-ву(22) Заявлено 1501В1 (21) 3235205/22-02 с присоединением заявки ¹â€” (23) Приоритет

Опубликовано 30.1082. Бюллетень ¹40

Дата опубликования описания 3(11082

151) М. Кп.

С 21 0 1/78

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (53) УДК 621. 791. .927(088.8) 2

Ю.Д. Коньков и В.П. Игумнов (72) Авторы изобретения

P.

У

1 (71) Заявитель (54) СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ

Изобретение относится к технике упрочнения путем наплавки изделий машиностроения любой конфигурации, подвергающихся усталостному нагружению, износу и коррозии. Судовое машиностроение и химическое оборудование — основные области применения предлагаемого способа.

Известен способ поверхностного упрочнения стальных деталей нанесением карбидов металла наплавкой при помощи электродов или проволоки. Упрочнение достигается эа счет расплавления слоя, содержащего 60% карбидов металла и 40% малоуглеродистой стали, и последующей термической о6работки деталей для обеспечения абразивной твердой поверхности (1).

Недостатком указанного способа является повышенная склонность слоя к хрупким разрушениям из-за низкой ударной вязкости наплавленного металла, необходимость дополнительного оборудования для проведения термической обработки, нетехнологичность процес- 25 са.

Известен способ упрочнения изделий наплавкой металлопокрытий аустенитного или устенитно-ферритного класса с целью защиты стальных из- 30 делий от коррозии в агрессивных сре- дах и обеспечения необходимых антифрикционных свойств на их поверхности. Упрочнение достигается за счет уменьшения проплавления металла иэделия путем применения способа наплавки сжатой дугой с токоведущей присадочной проволокой как на прямой, так и на обратной полярности (2).

Недостатком способа является ограниченность из-за отсутствия оборудования и невозможность использования положительных свойств, напри" мер прочности металла изделия, поскольку исключается диффузия легирующих элементов металла иэделия в йаплавленный из-эа малой степени проплавления. Так, усталостная прочность образцов из Ст 35 и 38НЗМФА, наплавленных сжатой дугой проволокой

Св-04Х19Н11МЗ, независимо от марки основного металла составляет 14 51

15,5 кгс/мм

Известен способ обработки валов из стали перлитного класса, включающий наплавку первого слоя проволокой марки Св-08Х20Н10Г6 или Св-08Х20Н9Г7Т в сочетании с флюсом AH-26, наплавку последующего слоя той же проволокой или проволокой марки Св-1Х18Н9Т.

969757

Первый слой наплавляют с целью исключения образования трещин, второйс целью защиты вала от коррозии. После окончательной механической обработки производят обкатку валов роликами с целью повышения усталостной прочности вала (3 7.

Способ не обеспечивает достаточное повышение коррозионно-усталостной прочности валов.

Наиболее близким по технической 10 сущности и достигаемому результату к предлагаемому является способ упрочнения металлопокрытий, заключающийся в том, что металлопокрытие аустенитного класса, наносимое нап- 35 лавкой, подвергается сначала термомеханической обработке, а затем с целью повышения износостойкости и усталостной прочности дополнительной термообработке в виде высокого отпус- 0 ка, поверхностной закалки и низкого отпуска (4 J.

Недостатком известного способа является необходимость для каждого конкретного иэделия специально спроектированного и изготовленного приспособления для деформирования наплавленного металла и системы охлаждения, дающей возможность получить регламентированный режим термообработки. Укаэанный способ упрочнения металлопокрытий не всегда может обеспечить повышение усталостной прочности, например в коррозионной среде эффект упрочнения указанной термообработкой будет сведен к минимуму 35 для материала покрытий иэ некорроэионностойких сталей. Для корроэионностойких сталей, например для системы хромоникелевых сталей 25-12, укаэанная термообработка (например, 40 в период проведения высокого отпуска) может резко снизить физико-механические свойства металлопокрытий (вызвать процесс охрупчивания, сигматизацию). 45

Цель изобретения — повышение конструктивной прочности стальных изделий.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу упрочнения стальных деталей, преимуществен- . но валов, включающему злектродуговую наплавку металлопокрытий из стали аустенитного класса и термическую обработку, металлопокрытие после наплавки охлаждают со скоростью, равной или выше критической скорости .основного металла, затем наплавляют слой материала аустенитно-ферритного класса с содержанием феррита 8-20% и закаливают его на 60 феррит игольчатый.

Сущность способа заключается в следующем. В качестве присадочных материалов при злектродуговой наплавке выбирают сварочную проволоку аустенитного и аустенитно-ферритного классов, обладающих высокой коррозионной стойкостью. Первый слой наплавляется аустенитным материалом с достаточным запасом аустенитности (содержание феррита в пределах 0-.4%).

При наплавке происходит перемешивание наплавленного первого слоя металлопокрытий с основным металлом— сталью перлитного класса и процесс реактивной диффузии углерода и легирующих элементов основного металла в наплавленный. Это .позволяет в случае проведения закалки такого наплавленного слоя со скоростью, равной или выше критической для основного металла, получить структуру малоуглеродистого мартенсита с пластичными участками структуры аустенита. С целью упрощения термической обработки, в частности устранения дополнительного оборудования для термической обработки, используется сопутствующий нагрев металлопокрытия при наплавке, т.е. закалка производится сразу же после наплавки без какого-либо дополнительного нагрева металлопокрытия.

После закалки на металлопокрытие наносят второй слой направленного материала аустенитно-ферритного класса с содержанием феррита 8-20% и проводят термообработку, например закалку со скоростью охлаждения не ниже 30 С/с в интервале температур

600-750оС используя сопутствующий нагрев при наплавке уже второго слоя наплавленного металла. Такая термическая обработка обеспечивает образование структуры повышенной прочности — игольчатого феррита в высокопластичной матрице аустенита. Содержание феррита в наплавляемых материалах аустенитно-ферритного класса обусловлено тем, что нижний предел 8о гарантирует в наплавленном металле отсутствие горячих трещин, верхний предел

20% — максимальную усталостную прочность наплавленного металла.

В результате сочетания присадочных материалов и термической обработки при наплавке достигается необходимое чередование структурных зон, гарантирующих отсутствие гальванического элемента биметаллической пары, вызывающей коррозию и наличие напряжений сжатия, обеспечивающих защиту от усталостных разрушений, износа и коррозии.

t p и м е р. Валы из стали перлитного класса 38ХНЗМФА диаметром 45 и длиной 590 мм, термообработанные на категорию прочности КТ-70, наплавляются автоматическим электродуговым способом под слоем флюса 48-ОФ-6 присадочной проволокой аустенитного класса Св-09Х1910Г2Б диаметром

2,0 мми содержанием феррита 1,5%. На969757 плавка производится при подогреве вала до 200 С по винтовой линии (для сталей другого класса подогрев не обязателен, он определяется технологией сварки или наплавки) с обеспечением по всей длине вала толщины 5 наплавки первого слоя до 2,0 мм и степенью проплавления с оснонным металлом 0,60 мм.

Используя сопутствующий нагрев металлопокрытия при наплавке, наплав-)Q ленный слой для данной стали закаливается автоматически при охлаждении его на воздухе до 60-100 С, что обеспечивается скоростью охлаждения металлопокрытия выше критической скорости закалки металла (скорость охлаждени металлопокрытия на воздухе составляла 3 С/с, критическая скорость закалки основного металла—

2ОС/c).

После закалки на металлопокрытие наплавляется второй слой присадочного материала — сварочная проволока аустенитно-ферритного класса

Св-08Х19Н9Ф2С2 диаметром 2,0 мм и содержанием феррита 12%. Наплаэка второго слоя выполняется без подогрева, а с. целью получения структуры игольчатого феррита термическую обработку производят, используя сопутствующий подогрев при наплавке второго слоя. B качестве термической обработки применяют закалку (охлаждение наплавленного слоя в потоке2 ,воздуха под давлением 3,5 кгс/см что обеспечивает необходимую скорость35

30 С/с н интервале температур 600750оC) .

В результате такого сочетания присадочных материалов и видов термической обработки достигается положительный эффект — напряжение сжатия в плайирующем слое и, как следствие, упрочнение металлопокрытия от коррозионно-усталостного разрушения и износа.

Перед испытанием валы подвергаются механической обработке (шероховатость поверхности — 6 класс), дефектоскопируются люминесцентным и ультразвуковым методом и лишь при отсутствии внутренних и поверхност- 50 ных.дефектов поступают на коррозионно-усталостные испытания (серия 1) и металлофизические исследования.

Испытания на усталость проводятся при напряжениях 18 кгс/мм в об- 55 ласти ограниченной выносливости на базе 5.10 циклов по схеме знакопеременного изгиба с симметричным циклом нагружения на машине УП-50 конструкции ЦНИИТМАШ. В качестве коррозионной среды используется проточная синтетическая вода.

Для сравнения испытывают валы из стали 38ХНЗМФЛ, наплавленные аустенитно-ферритным материалом

Св-08Х19НХФ2С2 и упрочненные поверхностно-пластической деформацией (обработка роликами диаметром 120 мм и усилием на ролики 1500 кгс), согласно действующей технологической документацией в отрасли (серия 2), валы из основного металла без металлопокрытия (серия 3), а также валы, наплавленные аустенитным материалом и обработанные по способупрототипу (серия 4).

B качестве наплавленного металла используют проволоку Св 10Х16Н25М6Ф.

Механические свойстна наплавленного металла Ьн =70 кгс/мм2;6 =52 кгс/мм .

Содержание феррита в напланленном металле составляет ОЪ, что гарант .рует отсутствие о -фазы при многократной термообработке. После наплавки и снятия защитного слоя флюса, механического сглаживания валиков наплавки на токарном станке вал подвергается термомеханической обработке: газоплаэменному нагреву до

800-330 С, обкатке роликами и закалке углекислым газом (температура охлаждающей струи -12 С). Степень о деформации наплавленного металла 123.

Далее образцы отпускают при 500 С н течение 1 ч в камерной электропечи, затем вновь закаливают с температуры 950ОС и.отпускают при 180 С в течение 2 ч. После окончательной механической обработки проводят усталостные испытания.

В каждой серии испытывают йо 5 образцов. Результаты испытаний (средние в серии) представлены в таблице.

Из данных таблицы нидно, что коррозионно-усталостная прочность образцов с металлопокрытием, упрочненных по предлагаемому способу, в три раза выше, чем образцов, упрочненных поверхностно-пластической деформацией, и более чем в дна раза выше, чем образцов, обработанных по способу-прототипу.

Для исследования остаточных напряжений по сечению образцов использован метод Давиденкона, согласно которому производится послойная расточка вала, замер деформаций после расточки и расчет напряжений. При определении деформаций применяют метод тенэометриронания.

Исследования выполнены на образцах серии 1 и 2, для сравнения анализируются образцы серии 2 без поверхностно-пластической деформации.

Выполненные исследования показывают, что в образцах серии 2 в наплавленном металле и зоне термического влияния формируются остаточные напряжения растяжения. Максимум приходится в зоне термического влияния у линии спланления и на поверхности наплавления металла (до 40 кгс/мм ).

В образцах серии 1 наплавленный слой и часть эоны термического влияния оказываются сжатыми до 10 кгс/мм, 2.

969757

Твердость и

Серия образцо

Микроструктура металлопокрытия

Количество циклов до разрушения

Способ упрочнения содержание с -фазы в метеллокострукции

HV,кгс/мм oL,Ъ о 2

320-340 10- 3 1 10

Пр едл ar аемый

rIo динии сплавления аустенит + мартенсит; в поверхност- 340-360 12-16 ном слое аустенит + феррит игольчатый

Поверхностное пластическое деформирование (ППД) По линии сплавления и н поверхностном слое аустенит+феррит дендритообразный мартенсит деформации

360-380 6-10 1,1 10

Улучшение

Без металлопокрытия

1,2. 10

Лустенит, карбиды, По прототипу мартенсит отпуска

0 1,5.10

294-312

Формула изобретения щий электродуговую наплавку металлопокрытий из стали аустенитного класса

Способ упрочнения стальных дета- и термическую обработку, о т л и лей, преимушественно валов,, включаю- 65 ч а ю ц и и с я тем, что, с целью а максимальные остаточные напряжения сжатия зафиксированы по линии сплавления (до 20 кгс/мм ).

В образцах серии 2 в слое металлопокрытия также отмечаются напряжения сжатия (до 8 кгс/мм ), однако в зо- 5 нах термического влияния и перемешивания напряжения растяжения сохраняются, хотя абсолютная величина их уменьшена до 20 кгс/мм в сравнении с теми же образцами без поверхностно-пластической деформации. 1аким: образом, не только по коррозионно-, усталостным испытаниям, но и по характеру распределения остаточных йапряжений наиболее благоприятная картина отмечается на образцах, упрочненных по предлагаемому способу.

Внедрение предлагаемого способа упрочнения расширяет возможность применения наплавленных изделий и повышает их эксплуатационные возможности. Экономическая эффективность от внедрения способа только на одном предприятии отрасли составит около

30,0 тыс руб. в год.

969757

10

Составитель И. Липгарт

Редактор В. Петраш ТехредЕ.баритончик Корректор Г. Orap

Заказ 8317/29 Тираж 587 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений И открытий

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

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4 повышения конструктивной прочности деталей, металлопокрытие после наплавки охлаждают со скоростью, равной или выше критической основного металла, затем наплавляют слой метариала аустенитно-ферритного клас- са с содержанием феррита 8-20% и закаливают его на феррит иголь-, чатый.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1, Патент США Р 3291653, кл. 148-12;1, опублик. 1966.

2. Вайнерман A.Е. и др. Усталостная и корроэионно-усталостная прочность наплавленных валов.-"Фиэикохимическая механика материалов", 1978, 9 2, Т.14, с. 80-84.

3. Справочник по сварке. Под ред.

Акулова,М., "Машиностроение", 1971, .Т. 4, с. 268.

4. Авторское свидетельство СССР

Р 346355, кл. С 21 0 8/00, 1970.