способ упрочнения породоразрушающего инструмента при его изготовлении или восстановлении

Формула изобретения

1. Способ упрочнения породоразрушающего инструмента при его изготовлении или восстановлении, включающий электрошлаковую наплавку его рабочей части и легирование упрочняемого слоя, отличающийся тем, что электрошлаковую наплавку осуществляют со свободным формированием слоя направленного металла, после чего производят его расплавление на глубину упрочнения неплавящимся электродом с использованием имеющейся шлаковой ванны и одновременное легирование упрочняемого слоя путем введения в зону расплава легирующих элементов, при этом упрочняемый слой поддерживают в расплавленном состоянии в течение времени, необходимого для формирования слоя заданного химического состава и структуры, а после окончания процесса формирования слоя проводят термообработку инструмента с использованием аккумулированного тепла.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что введение легирующих элементов осуществляют за счет их электролизного осаждения путем подачи в зону расплава минеральных концентратов в количестве, обеспечивающем заданный химический состав упрочняемого слоя, при этом неплавящийся электрод является катодом, а расплавленная поверхность упрочняемого слоя - анодом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электрошлаковой наплавке и может быть использовало для упрочнения преимущественно породоразрушающего инструмента (билы размольно-дробильного оборудования, зубья ковшей экскаваторов, коронки (рыхлителей бульдозеров, ножи отвалов и т.п.), а также других деталей, подвергающихся интенсивному износу.

Известен способ упрочнения бил размольно-дробильного оборудования методом электрошлаковой наплавки, при котором на било, отлитое из стали 110Г13Л, в слое легирующей шихты из порошка износостойкого сплава "сталинит", покрытой флюсом, производят электрошлаковую наплавку электродной проволокой плоской рабочей поверхности. Било горизонтально размещено в трехсторонней охлаждаемой коробке, позволяющей поднимать уровень расплавленного шлака и перемещать его над слоем легирующей шихты [1].

Недостатками этого способа являются ограниченность времени легирования временем кристаллизации наплавляемого металла, разрыв термического цикла изготовления и упрочнения, приводящие к химической и структурной неоднородности упрочненного слоя, что предопределяет его выкрашивание в процессе работы и тем самым снижает долговечность била. Кроме того, использование при изготовлении специальной стали для упрочнения высоколегированного сплава повышает стоимость била.

Известен способ упрочнения деталей методом электролиза в жидких расплавах, при котором деталь, являющаяся катодом, помещается в специальную ванну с жидким расплавом солей, окислов и других химических соединений легирующих элементов при температуре 0,6-0,8 от температуры плавления металла детали. При пропускании постоянного тока между нерастворимым анодом и упрочняемой поверхностью детали на последней происходит осаждение легирующих элементов с последующим химическим и диффузионным взаимодействием с металлом детали, в результате чего формируется упрочненный слой. Так, при электролизе в расплаве буры и окиси циркония в течение двух часов при температуре 900^o C и плотности тока 0,3 5А на 1 см² на стальной поверхности формируется износостойкий слой толщиной 130-140 мкм, состоящий из раствора бора в железе, боридов и карбидов циркония [2].

Недостатками этого способа упрочнения является малая толщина упрочненного слоя и большая длительность процесса, а также невозможность увеличения плотности тока из-за превышения скорости осаждения легирующих элементов над скоростью протекания химических и диффузионных процессов, обеспечивающих прочность сцепления упрочненного слоя с основным металлом.

Наиболее близким аналогом является способ упрочнения при восстановлении зубьев ковша экскаватора методом электрошлаковой наплавки, при котором используется приваренный к торцу изношенного зуба расходуемый составной электрод, верхняя часть которого представляет пластину из стали 110Г13Л, а нижняя выполнена в виде гребенки из износостойкого сплава "сормайт-1". Отливку изношенной части зуба начинают с наплавки износостойкого слоя при горизонтальном расположении охлаждаемого кристаллизатора, после чего в процессе плавления оставшейся части электрода производят поворот кристаллизатора до совмещения осей отливаемого острия и заготовки со скоростью, исключающей контакт закристаллизовавшегося ранее износостойкого слоя со шлаковой ванной. После окончания электрошлаковой отливки острия изношенного зуба производят оплавление в шлаке торца вертикально расположенной заготовки и их стыковку [3].

Недостатками этого способа упрочнения является ограниченность технологических возможностей процесса упрочнения, происходящего в замкнутом объеме охлаждаемого кристаллизатора, сложность технического воплощения способа из-за необходимости согласования вертикальной подачи электрода, перемещения и вращения кристаллизатора со скоростью наплавки. Кроме того, происходит охрупчивание основного металла в зоне термического влияния при стыковке заготовки и наплавленной части, что при значительных ударных нагрузках приводит к ее отколу, а использование составного электрода из специальной стали и высоколегированного сплава удорожает стоимость восстановлении.

Задачей изобретения является расширение технологических возможностей легирования, повышение долговечности и снижение стоимости упрочнения породоразрушающего инструмента.

Для решения задачи изобретения в способе упрочнения, включающем электрошлаковую наплавку рабочей части инструмента и легирование упрочняющего слоя, электрошлаковую наплавку осуществляют со свободным формированием слоя наплавленного металла, после чего, используя имеющийся расплав шлака, неплавящимся электродом производят расплавление наплавленного слоя на глубину упрочнения с одновременным легированием слоя путем введения легирующих элементов в зону расплава, при этом упрочняемый слой поддерживается в расплавленном состоянии в течение времени, необходимого для полного протекания металлургических процессов формирования упрочняемого слоя заданного химического состава и структуры, с последующей немедленной термообработкой инструмента с использованием аккумулированного им тепла. Подача легирующих элементов также может осуществляться за счет их электролизного осаждения, где неплавящийся электрод является анодом, а в качестве катода выступает расплавленная поверхность упрочняемого слоя, при этом в зону расплава подают минеральные концентраты легирующих элементов в количестве, обеспечивающем заданный химический состав упрочняемого слоя.

Поддержание упрочняемого слоя в расплавленном состоянии в течение времени, необходимого для полного протекания металлургических процессов легирования, обеспечивает достижение его химической однородности, а непрерывность термического цикла "наплавка - упрочнение - термообработка" предотвращает сварочные напряжения, горячие и холодные трещины в переходной зоне и формирует микроструктуру металла высокой абразивной износостойкости рабочей поверхности и вязкой основы, что обеспечивает высокую долговечность инструмента.

Предлагаемый способ позволяет объединить процесс электрошлакового расплава с процессом электролизного осаждения, причем использование расплавленной поверхности в качестве катода позволяет его вести на плотности тока электрошлакового расплава.

Использование минеральных концентратов легирующих элементов, стоимость которых на порядок ниже стоимости ферросплавов, не только снижает стоимость упрочнения, но и существенно расширяет технологические возможности легирования упрочняемого слоя широкой гаммой химических элементов.

На фиг. 1 изображена общая схема упрочнения рабочей поверхности била молотковой мельницы типа ММТ при изготовлении; на фиг. 2 показана схема упрочнения наконечника рыхлителя бульдозера Т-330 при восстановлении или изготовлении.

Пример 1. Проводили упрочнение била 1 молотковой мельницы типа ММТ 1 при изготовлении. Отливку била производили в охлаждаемом кокиле 2 путем электрошлакового переплава расходуемого электрода, изготовленного из полосы стали 35 толщиной 20 мм, шириной 100 мм и весом 10 кг в расплаве флюса AH348a 3. Режимы наплавки: V=20-30 В, I=0,5-0,8 кА. По окончании наплавки производили замену электрода на неплавящийся электрод 4 и, используя имеющийся расплав шлака, проплавляли поверхность на глубину 20 мм. Режимы проплавления V=30-40 В, I=1,1 кА. Затем осуществляли продольную подачу кокиля с билом со скоростью 10 мм в 1 мин с одновременной подачей легирующей шихты 6 в электродную зону 5 из дозатора 7. Скорость упрочнения определяется по экспериментально полученной авторами формуле:

,

где V -скорость упрочнения, мм в 1 мин;

h - толщина неплавящегося электрода, мм,

Н - глубина упрочняемого слоя, мм;

T - время полного протекания металлургических процессов легирования единицы объема, мин.

Поскольку толщина упрочняемого слоя на длине 150 мм изменяется от 20 мм до 10 мм, то в процессе упрочнения производили плавное изменение скорости легирования с 10 мм в 1 мин до 20 мм в 1 мин. Время упрочнения составило 12 мин, а время наплавки 11 мин. По окончании процесса упрочнения било вынималось из кокиля с температурой 1100-1200^oС и помещалась в термостат, где при температуре 600^oC в течение 5 ч производился изотермический отпуск, по окончании которого било свободно охлаждалось на воздухе.

Легирующая шихта весом 350 г приготовлялась из размола ферромарганца, феррохрома, ферровольфрама, ферросилиция и графита в количестве, обеспечивающем в упрочненном слое, %: углерод 1.2-1.8; кремний 0,5-0,8; марганец 6,0-7,0; хром 5,0-6,0; вольфрам 5,0-6,0.

Пример 2. Производили упрочнение наконечника рыхлителя бульдозера T-330 при восстановлении. Изношенный наконечник 1 укладывали в охлаждаемый кокиль 2 плавящимся электродом в виде пластины из стали 35 толщиной 30 мм, шириной 120 мм, весом 27 кг и под расплавом флюса AH-348A 3 производили наплавку изношенной рабочей части 4 на конец наконечника 5. Режимы наплавки: V=30-40 В, I=0,8-1,0 кА. По окончании наплавки производили замену плавящегося электрода на неплавящийся 6 с подключением источника постоянного тока и, используя имеющийся расплав шлака, проплавляли упрочняемый слой стороны торца на глубину 20 мм. Режимы проплавления: V=40-50 В, I=1,2-1,6 кА, неплавящийся электрод являлся анодом, расплав упрочняемого слоя - катодом. Затем осуществляли продольную подачу кокиля со скоростью упрочнения 15 мм в минуту с одновременной подачей в анодную зону 7 и расплавлением пластины 8 из минеральных концентратов легирующих элементов. Поскольку толщина рабочей части по длине упрочняемого слоя в 350 мм изменяется, в процессе упрочнения производили плавное изменение тока с 1,6 кА до 1,2 кА. Время упрочнения составило 24 мин, а время наплавки - 18 мин. После окончания упрочнения наконечник (температура восстановленной части 1000-1100^oС, остальной части 500-600^o C) вынимался из кокиля и помещался в термостат, где при температуре 600^oC в течение 5 ч производился изотермический отпуск, по окончании которого наконечник свободно охлаждался на воздухе.

Легирующая пластина весом 2,5 кг изготавливалась прессованием минеральных концентратов и включала: шеелит (55% WO), хромит (50% CrO), пиролюзит (40% MnO) и графит в количестве, обеспечивающем химический состав упрочненного слоя, %: углерод 1,2-1,8; кремний 0,5-0,8; марганец 8,0-9,0; хром 5,0-6,0; вольфрам 5,0-6,0.

Металлографические исследования продольного сечения упрочненных деталей показали, что упрочненный слой и наплавленная основа не имеют пор, шлаковых и иных включений, границы перемешивания между упрочненным слоем и основным металлом как таковые отсутствуют, а наблюдается плавный переход упрочненного слоя в основной металл. Упрочненный слой имеет очень мелкую аустенитно-мартенситную структуру с изолированными включениями комплексных карбидов (Cr, Fe) C и (W, Fe) C. Твердость упрочненного слоя по глубине упрочнения 55-60 HRC, в зоне плавного перехода составляющей 5-10 мм 50-30 HRC, и основного металла 30-25 HRC.

Сравнительные испытания упрочненных бил, проведенные на Хабаровской ТЭЦ-3, показали, что их наработка до предельного износа составляет 220 ч, а стандартных бил, изготовленных из стали 110Г13Л, - 180 ч. При этом стоимость упрочненного била составила 70% от стоимости стандартного.

Источники информации

1. Справочник сварщика. Под ред. В.В. Степанова. Изд.3-е, М.: Машиностроение, 1974, 520 с, 444.

2. Авторское свидетельство CCCP N 998552, кл. C 22 B 9/18, 23.02.83.

3. Власов В. М. Работоспособность упрочненных трущихся поверхностей. "Машиностроение", 1987. -304 с, с 97.