способ легирования поверхности металлических изделий

Формула изобретения

1. Способ легирования поверхности изделий из железоуглеродистых сплавов при литье по газифицируемым моделям, отличающийся тем, что легирующие элементы или их соединения наносят на подложку, которую прикрепляют к поверхности модели.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что подложка выполнена из инертного по отношению к железоуглеродистым сплавам материала.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что подложка содержит легирующие поверхность изделия элементы.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что легирующие элементы или их соединения наносят на подложку слоями.

5. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что к выбранному участку модели прикрепляют несколько подложек одна поверх другой с легирующими элементами или их соединениями.

6. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что на одну или обе стороны подложки наносят клеящий состав.

7. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что подложку крепят к поверхности модели той стороной, на которую нанесены легирующие элементы или их соединения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к литейному производству, а именно к способам литья по газифицируемым моделям.

Из уровня техники известно, что для получения стали с заданными свойствами добавляют ферросплавы в индукционную печь при выплавке стали (авторское свидетельство SU 1364644 А1, опубликовано 07.01.88, Бюл. № 1).

Из уровня техники известен способ модифицирования стали (авторское свидетельство SU 1470777 А1, опубликовано 07.04.89, Бюл. № 13) путем введения в расплав модификаторов при сливе в ковш.

В известных способах производится модифицирование и легирование всего объема отливки и они не позволяют получить заданные специальные свойства требуемых участков поверхности отливок.

Из уровня техники известно, что для легирования отливок в полости формы используются газифицируемые модели (авторское свидетельство № 697244, опубликовано 15.11.79, Бюл. № 42). Для этого изготавливают модели из полистирола путем вспенивания его гранул в пресс-форме, а затем производится окрашивание газифицируемых моделей газопроницаемым антипригарным покрытием, в состав которого наряду с огнеупорным наполнителем вводят легирующий элемент.

При этом распределение легирующих элементов в покрытии происходит неравномерно, их диффузия в поверхность отливки затруднена, расход легирующего элемента производится не рационально. В результате этого также не удается получить заданные специальные свойства требуемых участков поверхности отливок.

Из уровня техники известен способ модифицирования поверхности металлических изделий (RU 2391177 С2, МПК В22С 3/00 (2006.01)), включающий нанесение на поверхность модели модифицирующих и легирующих поверхность изделия элементов в виде пасты или пудры с последующим нанесением на поверхность модели противопригарного покрытия. Глубину модифицированного слоя в изделии можно регулировать изменением размера частиц модификатора.

Данный способ, в отличие от известных аналогов, позволяет нанести модифицирующие и легирующие элементы на конкретный участок модели, которому требуется задать специальные свойства, что позволяет рационально использовать модифицирующие и легирующие элементы, а также позволяет регулировать глубину модифицированного слоя.

Недостатком известного способа является нанесение модифицирующих и легирующих элементов непосредственно на поверхность модели. Для равномерного нанесения модифицирующих и легирующих элементов на заданный участок поверхности модели целесообразно использовать машинный способ. В этом случае рентабельность производства будет сильно зависеть от сложности рельефа поверхности модели, доступности отдельных участков модели для машинного нанесения модифицирующих и легирующих элементов. Так, например, для равномерного нанесения модифицирующих и легирующих элементов известным способом на участки, расположенные на внутренней поверхности оружейного ствола малого калибра, потребуется сложное оборудование. При этом проконтролировать равномерность нанесения модифицирующих и легирующих элементов будет сложно.

Все это снижает универсальность известного способа.

Предлагаемый способ является более универсальным по отношению к прототипу.

Повышение универсальности способа выражается в том, что он позволяет нанести точное количество модифицирующих и легирующих элементов на заданный участок модели, независимо от сложности рельефа поверхности модели.

Для выполнения этой задачи способ легирования поверхности металлических изделий включает в себя нанесение модифицирующих и легирующих поверхность изделия элементов или их соединений на подложку (под подложкой имеется в виду материал, заготовка или вещество, на которое наносится покрытие), прикрепление подложки к поверхности модели, нанесение на поверхность модели противопригарного покрытия. При этом в зависимости от конкретной ситуации подложка может быть выполнена из материала, обладающего инертностью по отношению к железоуглеродистым сплавам, либо легирующие поверхность изделия элементы могут быть введены в состав подложки.

Для достижения требуемого эффекта легирующие элементы могут быть нанесены на подложку слоями, имеющими различный состав. Предлагаемый способ позволяет так же последовательно прикрепить к одному участку поверхности модели несколько подложек с различными слоями легирующих элементов для получения заданного химического состава по толщине слоя отливки.

Способ осуществляется следующим образом.

На подложку наносят комплексные покрытия в виде краски, пасты или порошка, содержащие легирующие элементы или их соединения, способные к физико-химическому взаимодействию с металлическими расплавами или с отдельными компонентами расплавов, с образованием новых фаз, придающих специальные свойства выбранным участкам поверхности отливки за счет массопереноса и диффузионных процессов. При этом для лучшей адгезии к поверхности подложки комплексные покрытия целесообразно наносить с добавками клеящих веществ. Далее подложка подвергается сушке с последующим осуществлением контроля толщины нанесенного слоя (например, взвешиванием подложки заданной площади). В зависимости от формы и размера участка отливки, которому необходимо придать специальные свойства, производится раскрой подложки. Подложка прикрепляется к модели из пенополистирола с использованием клеевых составов, не приводящих к деструкции материала модели (ПВА, КМЦ и т.п.). Модель окрашивается газопроницаемой противопригарной краской, после высыхания которой помещается в контейнер (опоку) и засыпается опорным материалом. Объем модели заполняется металлическим расплавом.

Подложка в зависимости от желаемого результата может быть выполнена из инертного материала, который выгорает при заливке моделей металлическим расплавом (например, на бумажной основе), либо из материала, вступающего в физико-химическое взаимодействие с металлическими расплавами или с отдельными компонентами расплавов. Во втором случае легирующие элементы или их соединения могут быть введены в состав подложки. Например, подложка может быть выполнена в виде металлической фольги. При этом на нее также могут наноситься дополнительно другие легирующие элементы, в том числе способные к физико-химическому взаимодействию как с подложкой, так и с металлическими расплавами.

Примеры конкретного исполнения.

Пример 1. На бумажную подложку нанесли слой пасты, состоящей из карбида бора фракцией 0,1 мм с добавкой клея для лучшей адгезии к подложке. Затем подложку наклеили на поверхность модели из пенополистирола. Далее к модели приклеивали литниковую систему и окрашивали антипригарным газопроницаемым покрытием с последующей сушкой. Полученный модельный блок поместили в опоку, засыпали несвязанным формовочным материалом (песком) и залили расплавом стали 45. Поверхностный легированный слой полученной отливки имел повышенную твердость по сравнению с объемом отливки за счет наличия в нем борида и карбида железа. Твердость легированного поверхностного слоя составила Н₅₀ 897÷714 (67÷61 HRC), а основного металла Н₅₀ 442÷483 (45÷48 HRC). В данном случае подложка выполнена из инертного по отношению к расплаву материала. При заливке модели под действием термической энергии заливаемого расплава бумажная подложка выгорает и происходит контакт расплава с карбидом бора, при взаимодействии с которым и происходит легирование поверхности. Глубина легированного слоя составила 1,1÷1,3 мм.

Пример 2. В качестве подложки взяли пластину из нержавеющей стали 12Х18Н10Т толщиной 0,2 мм, которую приклеили к поверхности модели из пенополистирола. Далее к модели приклеивали литниковую систему и окрашивали антипригарным газопроницаемым покрытием с последующей сушкой. Полученный модельный блок поместили в опоку, засыпали несвязанным формовочным материалом (песком) и залили расплавом стали 10. Легированная поверхность полученной отливки имела химический состав материала подложки и отличалась по составу от основного металла. При заливке модели под действием термической энергии заливаемого расплава стальная подложка растворяется в поверхностном слое и происходит легирование поверхности. Глубина легированного слоя составила 0,2 мм.

Пример 3. То же, что и в примере 2, только вместо пластины из нержавеющей стали в качестве подложки взяли молибден-рениевую фольгу толщиной 0,02 мм. Легированная поверхность полученной отливки дополнительно содержала молибден и рений (произошло взаимодействие и растворение подложки с расплавом при заливке), что повысило твердость легированного слоя отливки и ее жаростойкость.

Пример 4. На подложку из нержавеющей стали нанесли слой пасты, состоящей из порошка хрома фракцией 3 мкм с добавкой клея для лучшей адгезии. Затем приклеили подложку к модели из пенополистирола три стороной, на которую нанесена паста, содержащая хром. Поверхностный легированный слой полученной отливки из стали 45 обогащен хромом и элементами из нержавеющей пластины. Кроме того, легированный слой обладает высокой твердостью по сравнению с основным металлом за счет наличия в нем карбида хрома типа Сr₂₃С ₆ (твердость карбидной составляющей легированного слоя составила Н₅₀ 754÷677 (63÷59 HRC), а твердость основного металла HV5 447÷466 (45÷46,5 HRC)). Карбид хрома образуется при взаимодействии хрома и углерода заливаемого расплава - стали 45.

Пример 5. На поверхность модели из пенополистирола приклеили две бумажные подложки одна поверх другой, причем на первую подложку нанесли слой пасты состоящей из порошка хрома фракцией 3 мкм, а на другую - слой пасты из сажи. Далее к модели приклеивали литниковую систему и окрашивали антипригарным газопроницаемым покрытием с последующей сушкой. Полученный модельный блок поместили в опоку, засыпали несвязанным формовочным материалом (песком) и залили расплавом стали 10. Поверхностный легированный слой полученной отливки имел повышенную твердость по сравнению с объемом отливки за счет наличия в нем карбида хрома, который образовался при взаимодействии расплава с легирующими элементами с подложек (с хромом и сажей). Кроме того, поверхностный слой дополнительно обогатился хромом (11%) и углеродом (1,5%).