способ восстановления и повышения износостойкости изношенных деталей из сталей и чугунов

Формула изобретения

1. Способ восстановления изношенных деталей из стали или чугуна, включающий нанесение электроискровым легированием, по крайней мере, одного покрытия, отличающийся тем, что износостойкое покрытие наносят электродом из интерметаллида Ni₃Al, легированного бором, следующего состава, мас.%: Al 2÷15, В 0,02÷0,2, Ni остальное.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что восстанавливают детали с износом до 100 мкм.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что износостойкое покрытие наносят электродом из интерметаллида Ni₃Al, легированного бором, дополнительно содержащим дисперсные частицы нитрида кремния Si₃N₄ , следующего состава, мас.%: Al 2÷15, В 0,02÷0,2, Si ₃N₄ до 16, Ni остальное.

4. Способ п.3, отличающийся тем, что восстанавливают детали с износом 100-300 мкм.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что на деталь перед нанесением износостойкого покрытия в качестве промежуточного адгезионно-барьерного покрытия наносят слой никеля толщиной 20-50 мкм.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что после нанесения покрытия проводят механическую обработку деталей.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению и ремонту деталей машин и может быть использовано для восстановления изношенных деталей из стали или чугуна, например посадочных мест под подшипники качения, втулки и вкладыши подшипников скольжения, шкивы, барабаны и т.д., а также для увеличения ресурса и надежности пар трения за счет нанесения покрытий из износостойких материалов.

Известен способ восстановления деталей методом электролитического хромирования с последующей механической обработкой нанесенного покрытия (Богорау Л.Я. Хромирование. - Л.: Машиностроение. 1984. - 121 с.). Однако использование этого метода для восстановления деталей ограничено тем, что полученные покрытия отличаются низкой адгезией с материалом детали и недостаточной износостойкостью. Кроме того, растворы, используемые при электролитическом хромировании, обладают высокой токсичностью.

Существует способ восстановления изношенных деталей, включающий предварительную механическую обработку рабочей поверхности восстанавливаемых деталей, установку на нее закладного элемента с предварительно нанесенным износостойким материалом, его приварку и последующую механическую обработку (патент РФ 2206439, МПК В 23 Р 6/02, 22.03.2001). Недостатком данного способа является то, что приходится изготавливать закладной элемент и проводить многократную механическую обработку.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому изобретению является способ восстановления размеров отверстий в деталях из чугуна, заключающийся в нанесении износостойкого антифрикционного покрытия и последующей его механической обработки (патент РФ 2173731, МПК С 23 С 4/12, 26/00, 24.04.2000). Нанесение покрытия из меди при износе отверстия до 140 мкм осуществляют электроискровой наплавкой с энергией импульса 0,28-1,66 Дж, удельным временем наплавки 2,0-3,0 мин/см², при частоте вибрации электрода 150-250 Гц. При износе отверстий 140-300 мкм перед нанесением покрытия из меди электроискровой наплавкой наносят слой покрытия из стали с удельным временем наплавки 2,5-4,0 мин/см ².

Недостатком данного способа является то, что в качестве износостойкого покрытия используется медь, температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) которой равен =16,7·10 ^-6 К^-1 при Т=300 К. В то же время у чугунов СЧ12-28, СЧ15-32, СЧ18-36, СЧ21-40 температурный коэффициент линейного расширения =11,8·10 ^-6 К^-1 в интервале температур 293-473 К (Физические величины. Справочник. А.П.Бабичев, Н.А.Бабушкина, A.M.Братковский и др.; Под ред. И.С.Григорьева, Е.З.Мейлихова. - М.: Энергоиздат, 1991. - 1232 с). Разница в коэффициентах линейного расширения может в процессе эксплуатации при небольшом нагреве привести к возникновению трещин и отслоению покрытия. Кроме того, медь обладает сравнительно низкой износостойкостью.

Задачей данного изобретения является разработка способа восстановления и повышения износостойкости изношенных деталей из сталей и чугунов путем нанесения покрытий необходимой толщины на изношенные детали электродом из материала с высокими триботехническими свойствами. Восстановленные предлагаемым способом покрытия изношенной детали обладают высокой прочностью сцепления с материалом основы.

Указанный технический результат достигается тем, что в заявляемом способе, включающем нанесение, по крайней мере, одного покрытия электроискровым легированием и последующую его механическую обработку, износостойкое покрытие наносят электродом из интерметаллида Ni ₃Al, легированного бором, следующего состава, мас.%: Al - 2÷15; B - 0.02÷0.2; Ni - остальное или электродом из интерметаллида Ni₃Al, легированного бором, дополнительно содержащим дисперсные частицы нитрида кремния Si₃N ₄, следующего состава, мас.%: Al - 2÷15; В - 0.02÷0.2; Si₃N₄ - до 16; Ni - остальное.

Кроме того, при износе деталей до 100 мкм износостойкое покрытие наносят электродом из интерметаллида Ni₃Al, легированного бором, следующего состава, мас.%: Al - 2÷15; В - 0.02÷0.2; Ni - остальное, а при износе деталей 100-300 мкм износостойкое покрытие наносят электродом из интерметаллида Ni₃Al, легированного бором, дополнительно содержащим дисперсные частицы нитрида кремния Si₃N₄ , следующего состава, мас.%: Al - 2÷15; В - 0.02÷0.2; Si₃N₄ - до 16; Ni - остальное.

Кроме того, на деталь перед нанесением износостойкого покрытия в качестве промежуточного адгезионно-барьерного покрытия наносят слой никеля толщиной 20-50 мкм.

Кроме того, для деталей, при посадке которых необходим натяг, механическую обработку не проводят.

Интерметаллид Ni₃Al, легированный бором, обладает достаточной пластичностью и высоким пределом текучести. Его ТКЛР близок к ТКЛР чугунов и сталей (см. таблицы 1 и 2) и равен =12,8·10 ^-6 К^-1 при комнатной температуре (Вол А.Е. Строение и свойства двойных металлических систем. М.: Физматиз, 1959, том I, 755 с.). Кроме того, данный интерметаллид обладает высоким сопротивлением износу.

Использование в составе электрода дисперсных частиц нитрида кремния позволяет, с одной стороны, за счет вариации содержания частиц Si₃N ₄ обеспечивать в покрытии нужную величину ТКЛР (см. таблицу 3), а с другой стороны, наличие частиц Si₃N₄ снижает уровень остаточных напряжений, возникающих в процессе нанесения покрытия, позволяя тем самым наносить покрытие большей толщины.

На некоторые марки сталей и чугунов не удается непосредственно нанести качественное износостойкое покрытие указанных составов либо из-за недостаточной адгезии, либо из-за образования в диффузионном слое хрупких алюминидов (FeNi)₃Al и (FeNi)Al. В этих случаях в заявляемом способе в качестве промежуточного адгезионно-барьерного покрытия наносят слой никеля, обеспечивающий хорошую адгезию и препятствующий взаимодействию Ni₃ Al с материалом восстанавливаемых деталей. ТКЛР никеля близок к ТКЛР сталей и чугунов и равен =11,4·10 ^-6 К^-1 при Т=200 К и =13,4·10 ^-6 К^-1 при Т=300 К.

Содержание никеля и алюминия в указанном интервале в электродах определяется областью существования интерметаллида Ni₃Al на фазовой диаграмме состояния. При изменении концентрации никеля и алюминия за указанные пределы материал имеет другой фазовый состав с соответствующими свойствами. Нижнее значение концентрации бора в электродах является минимальным для достижения необходимой технологической пластичности интерметаллида Ni₃Al, превышение же верхнего указанного предела концентрации бора приводит к охрупчиванию интерметаллида Ni₃Al. Максимальное количество частиц нитрида кремния в электроде определяется тем, что при большем содержании материал становится хрупким, что приводит к снижению прочности и износостойкости. Электроды с полным отсутствием частиц нитрида кремния могут быть использованы для некоторых материалов упрочняемых деталей, например, когда требуется небольшая толщина покрытия, а ТКЛР покрытия и материала упрочняемой детали близки.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

При износе стальных деталей, не превышающем 100 мкм, наносится слой интерметаллида Ni ₃Al, легированный бором, без частиц нитрида кремния. При необходимости в зависимости от материала детали может быть нанесен в качестве промежуточного адгезионно-барьерного покрытия слой никеля. При износе деталей 100-300 мкм на поверхность изношенной детали наносят адгезионно-барьерный слой Ni толщиной 20-50 мкм, а затем износостойкое покрытие необходимой толщины из интерметаллида Ni₃Al, легированного бором и содержащего дисперсные частицы нитрида кремния Si₃N₄. Нанесение покрытия осуществляется методом электроискрового легирования (ЭИЛ) на установке ES-4M электродами из материала вышеуказанных составов. Электроды изготавливаются из порошковой шихты методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) или прессованием с последующим спеканием. Режимы нанесения покрытия выбираются исходя из необходимой толщины наносимого слоя. При износе сопрягаемых деталей 150-300 мкм необходимую толщину покрытия получают за несколько проходов соответствующим электродом. Режимы ЭИЛ подбирают так, чтобы суммарная толщина покрытия на 50-70 мкм превышала износ детали. Необходимый размер получают последующей механической обработкой - шлифовкой или доводкой с помощью притира, что обеспечивает необходимый технологический зазор в сопрягаемых деталях.

Для деталей, при посадке которых необходим натяг, последующую механическую обработку вообще не проводят, а производят посадку в горячую или с помощью пресса. При посадке внатяг выступы поверхности, полученной в результате ЭИЛ, препятствуют проворачиванию сопрягаемых деталей относительно друг друга.

Пример 1.

Износ посадочного места под подшипник на валу не превышает 0,2 мм. Покрытие наносится методом электроискрового легирования (ЭИЛ) электродом из интерметаллида Ni₃Al, легированного бором. Делают один или несколько проходов до получения нужной толщины покрытия.

Пример 2.

Износ отверстия под наружное кольцо подшипника составляет ˜0,2 мм. Покрытие наносится методом ЭИЛ из интерметаллида Ni₃Al, легированного бором.

Пример 3.

Восстановление посадочного места под подшипники качения при износе ˜0,2 мм производят следующим образом. Обезжиривают изношенную поверхность бензином (нефрас С2-80/120 ТУ 38.401-67-108-92), наносят методом электроискрового легирования адгезионно-барьерный слой из никеля толщиной ˜40 мкм, затем наносят тем же методом необходимую толщину покрытия из интерметаллида Ni₃Al, легированного бором и содержащего дисперсные частицы нитрида кремния. Соответствующий квалитет определяется полем допуска на нужный номер подшипника по ГОСТу 25346-82.

Применение метода ЭИЛ с использованием электродов предлагаемых составов позволяет восстанавливать детали из стали и чугуна с достаточно большим износом, одновременно повышая триботехнические свойства изделий. В зависимости от износостойкости исходного материала восстанавливаемой детали повышение износостойкости детали с нанесенным покрытием может составлять от 1,5 до 5 раз. Использование метода ЭИЛ в сочетании с нанесением адгезионно-защитного покрытия обеспечивает прочность связи между основным материалом и износостойким покрытием, превышающую когезионную прочность основного материала.

Таблица 1 Температурный коэффициент линейного расширения чугунов. Приведены значения истинного ТКЛР (при данной температуре Т) или среднего ТКЛР (в интервале Т)
Марка или название	Т, Т, °С	, , 10-6 К-1
СЧ 00, СЧ10	20	10,0
СЧ 12-28, СЧ 15-32, СЧ 18-36, СЧ 21-40	20-200	11,8
СЧ 32-52	-77	11,2
АВЧ-1, АЧК-1	20	11,0
ЧМ 1,3, ЧМ 1,8	20-100	12,0
ПЧ, ПЧИ, ХТВ, ХНВ	20-600	13,6
Чугун: белый	20 20-100	7-11 10
серый	20	11
ферритный ковкий	20-100	11
	20-300	12,3
	20-500	13,6
	20-700	14,7

Таблица 2 Температурный коэффициент линейного расширения некоторых сталей. Приведены значения среднего ТКЛР (в интервале T)
Марка стали	Т, °С	, 10-6К-1
10	20-1000	12,6
25	20-1000	13,4
55	20-1000	14,4
65	20-1000	14,8
30Х	20-1000	13,8
40Х	20-800	12,0
30ХГСА	20-700	14,3
15ХМ	20-800	13,4
12ХН2А	20-700	13,9
20ХН3А	20-700	13,6
38Х2Н2МА	20-700	14,6
12Х13	20-800	13,0
30Х13	20-800	12,6

Таблица 3 Температурный коэффициент линейного расширения интерметаллида Ni3 Al, легированного бором, в зависимости от содержания нитрида кремния Si3N4. Приведены значения среднего ТКЛР (в интервале Т=295-1275 К)
Состав материала (мас.%)	·10 -6К-1
Интерметаллид Ni3Al, легированный бором	16,3
Интерметаллид Ni3Al, СВС	16,3
Интерметаллид Ni3 Al, легированный бором - 99,1 Нитрид кремния Si 3N4 - 0,9	15,6
Ni3Al, легированный бором - 97,7 Si3N 4 - 2,3	15,0
Ni3Al, легированный бором - 96,3 Si3N4 - 3,7	14,2
Ni3Al, легированный бором - 95,4 Si3N 4 - 4,6	13,3
Ni3Al, легированный бором - 94,4 Si3N4 - 5,6	13,3
Ni3Al, легированный бором - 90,1 Si3N 4 - 9,9	13,3
Ni3Al, легированный бором - 84,2 Si3N4 - 15,8	12,6