способ изготовления цилиндрических изделий с внутренним износостойким покрытием

Формула изобретения

Способ изготовления цилиндрических изделий с внутренним износостойким покрытием, включающий размещение термитной смеси в полости изделия, его вращение, инициирование экзотермической реакции, расплавление термитной смеси, охлаждение наружной поверхности изделия и кристаллизацию расплавленной термитной смеси, отличающийся тем, что в термитную смесь дополнительно вводят жидкотекучий материал, а охлаждение наружной поверхности изделия осуществляют при достижении его внутренней поверхностью температуры плавления металла изделия.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к литейному производству, в частности к технологии центробежного литья изделий с износостойким внутренним покрытием, и может быть использовано при изготовлении многослойных сосудов, трубопроводов, баллонов, соединительных деталей и других изделий.

Известен способ изготовления труб с износостойким внутренним покрытием (а.с. СССР №1678513, В 22 D 13/02, опубл. 23.09.1991), в котором трубу размещают в кокиле, в зазор между трубой и кокилем засыпают дробь, в полость трубы засыпают термит (смесь порошка алюминия Al и окалины железа Fe₂О ₃), устанавливают кокиль в центрифугу, вращают кокиль, инициируют экзотермическую реакцию, получают расплав термитной смеси, после кристаллизации которого образуется износостойкое покрытие.

Количество термита, необходимого для наплавки, определяют соотношением

Р_т=(0,9-1,1)Р₃ ,

где Р_т - масса термита, кг;

Р₃ - масса заготовки, кг.

Опытами установлено, что верхний предел массы термитной смеси ограничен теплопоглощением трубой и дробью, а нижний - условиями осуществления экзотермической реакции и формированием качественного покрытия. Для исключения локального расплавления трубной заготовки следует уменьшать количество тепла (термитной смеси), но при недостатке тепла (термитной смеси) покрытие получается рыхлым, фрагментарным, т.е. некачественным.

Недостаток способа заключается в использовании избыточной массы термитной смеси и в связи с этим необходимости применения дроби для теплоотвода.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ изготовления труб с внутренним износостойким покрытием (а.с. СССР №804191, В 22 D 13/02, опубл. 18.02.1981), в котором трубу размещают в кокиле, в зазор между кокилем и трубой засыпают металлическую дробь и дополнительно ее уплотняют, в полость трубы засыпают термитную смесь, осуществляют экзотермическую реакцию при вращении кокиля, охлаждают наружную поверхность кокиля.

Недостатком способа является трудоемкость осуществления теплоотвода от трубы металлической дробью и охлаждением наружной поверхности кокиля. При возможном расплавлении (прожоге) трубы происходит сплавление трубы и дроби, что затрудняет ее извлечение из кокиля. Избыточная масса термитной смеси ухудшает качество труб и увеличивает стоимость износостойкого покрытия.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в снижении трудоемкости и стоимости способа изготовления изделий, улучшении регулирования теплоотвода и снижении толщины покрытия.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе изготовления цилиндрических изделий с внутренним износостойким покрытием, включающем размещение термитной смеси в полости изделия, его вращение, инициирование экзотермической реакции, расплавление термитной смеси, охлаждение наружной поверхности изделия и кристаллизацию расплавленной термитной смеси, согласно изобретению в термитную смесь дополнительно вводят жидкотекучий материал, а охлаждение наружной поверхности изделия осуществляют при достижении его внутренней поверхностью температуры плавления металла изделия.

Уменьшение трудоемкости и стоимости достигается за счет того, что цилиндрические изделия с износостойким покрытием изготавливают без кокиля и дроби.

Улучшение качества покрытия достигается за счет непосредственного отвода тепла от поверхности изделия путем его охлаждения, в частности, воздушно-водяной смесью, уменьшения массы термитной смеси, введения в термитную смесь легкоплавкого (жидкотекучего) материала (ЖТМ), например, магния, жидкого стекла и др.

Температура плавления стекла и его производных в два раза ниже температуры расплава термитной смеси, поэтому повышенная жидкотекучесть ЖТМ улучшает качество покрытия и позволяет уменьшить толщину износостойкого покрытия.

Непосредственное охлаждение наружной поверхности изделия при достижении его внутренней поверхностью температуры плавления металла позволяет более интенсивно осуществлять отвод тепла от поверхности изделия в управляемом режиме, регулировать скорость кристаллизации расплава термитной смеси.

Регулирование выделяющегося тепла при экзотермической реакции позволяет уменьшать массу термитной смеси.

Для сохранения тепла в расплаве в состав термитной смеси вводят жидкотекучий материал, который экранирует расплав термитной смеси и обеспечивает интервал времени для кристаллизации расплава без кристаллизационных трещин, пор, газовых и неметаллических включений.

Для обеспечения качественных показателей покрытия необходимо выполнить два условия: получить расплав термитной смеси и осуществить его кристаллизацию (охлаждение до определенной температуры). Для возбуждения экзотермической реакции, чем больше восстановителя (алюминия или магния) в термитной смеси, тем более интенсивно осуществляется экзотермическая реакция. Следовательно, для получения расплава термитной смеси в возможно меньший период времени необходимо увеличить процентное содержание восстановителя в термитной смеси.

Так как масса термитной смеси уменьшена по отношению к массе изделия, то вводится легкоплавкий компонент, который экранирует расплав термитной смеси. Увеличение периода кристаллизации термитного расплава позволяет выровнять толщину покрытия по всей длине изделия и обеспечить его качественную кристаллизацию.

Известно, что фронт горения термитной смеси распространяется с определенной скоростью по длине изделия, поэтому необходимо получить расплав термитной смеси по всей длине изделия (для обеспечения равномерной толщины покрытия) и его одновременную кристаллизацию. Таким образом, уменьшенный вес термитной смеси позволяет предотвратить расплав заготовки, повысить содержание восстановителя, обеспечивающего более интенсивное прохождение экзотермической реакции. Уменьшая теплоотвод в полость изделия, легкоплавкий жидкотекучий материал обеспечивает равномерную кристаллизацию расплава по всей длине изделия.

Количество жидкотекучего материала (ЖТМ) определяют из следующих условий. Опытами установлено, что толщина покрытия после кристаллизации термитного расплава примерно в 9,2-10 раз больше коэффициента отношения массы термитной смеси к массе обрабатываемого изделия. И для экранирования основного термитного расплава следует иметь слой расплава ЖТМ толщиной примерно 0,1-2 мм.

Способ изготовления цилиндрических изделий с износостойким внутренним покрытием осуществляют следующим образом.

Термитную смесь предлагаемого состава (например, восстановитель Al или Mg, Fe₂О₃, жидкое стекло) в определенном весовом соотношении помещают в полость изделия, в частности, в полость трубы, устанавливают трубу в устройство для ее вращения вокруг продольной оси. Вращают трубу до равномерного распределения термитной смеси на внутренней поверхности вращающейся трубы, возбуждают экзотермическую реакцию, после расплавления термитной смеси охлаждают наружную поверхность трубы, например, воздушно-водяной смесью, при достижении ее внутренней поверхностью температуры плавления. Контроль температуры наружной поверхности трубы осуществляют пирометром. Интенсивность теплоотвода регулируют напором и составом подаваемой охлаждающей смеси, поэтому исключается расплавление (прожог) трубы.

Для сохранения тепла в расплаве применяют легкоплавкий материал, например, жидкое стекло, который в процессе кристаллизации препятствует отводу тепла от расплава в полость трубы. После кристаллизации расплава охлаждение трубы и ее вращение прекращают.

Использование предлагаемого способа изготовления цилиндрических изделий позволяет снизить стоимость и толщину покрытия за счет меньшей массы термитной смеси и увеличения жидкотекучести расплава, повысить свойства покрытия за счет управления кристаллизацией термитного расплава, исключить расплавление трубной заготовки, уменьшить трудоемкость и время наплавки покрытия.

С помощью предлагаемого способа можно изготавливать трубы с износостойким покрытием для трубопроводов, транспортирующих абразивные и агрессивные среды, многослойные сосуды, баллоны, соединительные детали.