способ упрочнения деталей

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 углерод-кремний-титан-алюминийсодержащую отработанную контактную массу химического производства.

2. Способ по п. 1, 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

3. Способ по любому из пп. 1 и 2, отличающийся тем, что нагрев ведут до температуры не ниже 700^oС.

4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что нагрев ведут токами высокой или промышленной частоты.

5. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что нагрев ведут электрической дугой.

6. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что нагрев ведут плазмой.

7. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что нагрев ведут газовыми горелками.

Описание изобретения к патенту

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 производства.

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 отработанную контактную массу химического производства.

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

Исследования показали, что использование в качестве присадки для упрочнения деталей отходов химического производства в виде отработанной контактной массы вместо специального легированного сплава обеспечивает большую глубину и высокую твердость упрочненного слоя, позволяет снизить затраты на упрочнение детали, а также утилизировать отходы химического производства.

Наличие в отработанной контактной массе химического производства большого количества таких легирующих элементов, как углерод, кремний, титан и алюминий в указанном сочетании, позволяет использовать контактную массу в качестве комплексной присадки 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.

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 определенному сочетанию в ней легирующих элементов уже при температуре 700^oС часть углерода из присадки за счет диффузии начинает интенсивно проникать в глубь 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, в глубь металла с образованием твердой фазы ледебурита (при высокой концентрации углерода в присадке). При невысоком содержании углерода упрочнение осуществляется за счет диффузии других легирующих элементов титана, алюминия, кремния.

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 качестве присадки 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. 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 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. Размер частиц порошка не более 1 мм. Нагрев присадки и поверхности производят токами высокой частоты (60 000 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 (55-60 HRC) диффузионного слоя глубиной до 6 мм, структура которого состоит из ледебурита с микротвердостью до 1000 HV, мелкоигольчатого мартенсита (до 800 HV) и карбидов (1300-1400 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.

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.