Легирующее покрытие для литейных форм и стержней

 

Изобретение относится к отрасли литейного производства, в частности к получению отливок с легированной поверхностью, позволяющей работать в условиях действия кавитации, коррозии гидроабразивного износа, интенсивного трения скольжения. Сущность изобретения состоит в следующем: легирующее покрытие содержит карбид бора, порошки алюминия, оксиды хрома и титана в таком количестве, что при взаимодействии с расплавленным металлом между ними протекает экзотермическая реакция с образованием восстановленного хрома и титана, и обильного тепловыделения, что оказывает влияние на состав, свойства и толщину легированного слоя, а также и качество поверхности отливок. Ферросиликованадий, который содержится в покрытии, выполняет функцию высокотемпературного связующего, которое растекается по поверхности образования восстановленных элементов и непрореагировавших частиц порошка карбида бора. Криолит активирует процесс поверхностного насыщения отливок легирующими элементами. Реализация изобретения повышает кавитационную, гидроабразивную стойкость, износостойкость при трении скольжения, а также улучшает чистоту поверхности отливок. 2 табл.

Изобретение относится к литейному производству, а именно к получению легированных покрытий на литых стальных изделиях, работающих в условиях действия коррозии, кавитации, износа трения, гидроабразивного износа.

Широкое применение находит процесс поверхностного легирования отливок, при котором получают местное легирование лишь те участки, которые подвергаются разрушению в процессе эксплуатации, а остальную часть такой отливки получают из исходного основного металла. Поверхностное легирование позволяет в значительной степени сократить расход дорогостоящих и остродефицитных легирующих элементов, повышает эксплуатационную долговечность деталей.

Известно легирующее покрытие, содержащее карбид бора и гидролизованный этилсиликат [1] применяемое для названных целей.

Однако известное покрытие не обеспечивает получение равномерного по толщине легированного слоя и не создает требуемой коррозионной стойкости, сопротивления кавитационным разрушениям, износу при трении гидроабразивной стойкости обрабатываемых деталей.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является легирующее покрытие для литейных форм и стержней следующего состава, мас. карбид бора 12 20; ферросиликованадий 13 20; гидролизованный этилсиликат 75 60 [2] Однако это покрытие не обеспечивает качественной чистоты поверхности отливки равномерного по толщине легированного слоя и высокой эксплуатационной стойкости.

Цель изобретения повышение гидроабразивной, коррозионной и кавитационной стойкости, а также стойкости в условиях сухого трения скольжения, увеличение толщины легированного слоя и улучшение чистоты поверхности отливки.

Поставленная цель достигается тем, что легирующее покрытие, включающее карбид бора, ферросиликованадий и гидролизованный этилсиликат дополнительно содержит порошки оксидов хрома и титана, порошок алюминия и криолит при следующем соотношении компонентов, мас. карбид бора 8 10; ферросиликованадий 6 8; оксид хрома 18 20; оксид титана 10 12; порошок алюминия 12 15; криолит 1 3; гидролизованный этилсиликат остальное.

Для установления соответствия предложенного технического решения критерию "существенные отличия" проведен поиск известных в технике решений, содержащих признаки, отличающие изобретение от прототипа. Патентными исследованиями установлено, что признаки, отличающие предлагаемое изобретение от прототипа, отсутствуют. Таким образом, можно сделать вывод о том, что предложенное техническое решение соответствует критерию "существенные отличия".

Карбид бора, порошки алюминия, оксидов хрома и титана выбраны таким образом, что при взаимодействии с расплавленным металлом между ними протекает экзотермическая реакция с образованием хрома и титана, что способствует дополнительному разогреву поверхности отливки.

Ферросиликованадий, введенный в состав покрытия, является связующим, так как в процессе скоростного высокотемпературного синтеза карбида титана ферросиликованадий плавится и растекается по поверхности образовавшихся частиц элементов и непрореагировавших частиц порошка карбида бора. Реакция прямого синтеза не дает шлаковых включений, ухудшающих качество получаемых покрытий. Последовательное горение в слое способствует его очищению от примесей газов, которые удаляются через пористую часть слоя. Для образования газовой диффузионно-активной фазы, имеющей высокое давление паров, в состав покрытия введен активатор криолит, который резко интенсифицирует процесс поверхностного насыщения отливок.

При заполнении формы металлом легирующая смесь, покрывающая участки формы, после протекания экзотермической реакции частично смешивается с металлом, осуществляя его локальную модификацию, затем происходит диффузия элементов и модификация протекает по всему объему отливки.

Введение в состав покрытия карбида бора менее 8% ферросиликованадия менее 6% порошка оксида хрома менее 18% оксида титана менее 12% порошка алюминия менее 13% не позволяет получить равномерное по толщине легированное покрытие из-за неполного прохождения экзотермической реакции.

Введение карбида бора более 10% ферросиликованадия более 8% порошка оксида хрома более 20% оксида титана более 12% и порошка алюминия более 15% приводит к формированию некачественной по чистоте поверхности отливки за счет сохранения в поверхностной зоне окислов хрома и титана.

Содержание в составе покрытия гидролизованного этилсиликата в количестве 44 32 мас. объясняется наилучшими условиями сцепления покрытия с поверхностью формы. Уменьшение содержания его менее 32 мас. приводит к ухудшению сцепления покрытия с формой, а увеличение более 44 мас. приводит к пересыщению поверхностного слоя формы и снижению его прочностных свойств.

Предлагаемые (2, 3, 4) и известные (1) составы покрытий и их свойства приведены в табл. 1 и 2.

При приготовлении покрытий следует придерживаться следующей последовательности. Сухие составляющие определенного гранулометрического состава (0,05 мм) смешивают между собой до равномерного распределения, затем заливают гидролизованным этилсиликатом и тщательно перемешивают. Окрашивание производят в один слой. После окраски форму или стержень просушивают в печи при 250 300^оС в течение 0,5 1 ч (в зависимости от размеров отливок).

Для изучения свойств легированных покрытий в подготовленные литейные формы заливают сталь 40Л (0,37 0,45% С, 0,2 0,5 Si, 0,5 0,8% Mn, 0,04 Р, 0,04% S) и чугун СЧ25 (2,8 3,1% С, 1,9 2,2% Si, 0,5 0,8% Mn, 0,1% Р, 0,1% S). Из этих материалов изготавливали опытные образцы для лабораторных испытаний: из СЧ25 втулки цилиндров дизелей Ч8,5/11 для натурных испытаний, из стали 40Л шкив редуктора.

Микроструктурным анализом легированного слоя установлено, что на стали 40Л в чугуне СЧ25 формируются карбидно-твердорастворные слои. Травлением в реактиве Мураками выявлены карбиды хрома Cr₇C₃ и С₂₃С₆. Рентгеноструктурный анализ, осуществленный на установке ДРОН-3М, подтверждает наличие этих фаз и присутствие свободных карбидов типа (Ме₇С₃) и (Ме₂₃С₆).

Содержание карбидов в легированном литом слое стальных образцов составляет 35 40% а чугунных 45 60% Микротвердость первых соответствует 1100 1510, вторых 1510 1800 кгс/мм².

Кавитационные и коррозионные испытания проводили по методике, изложенной в работах [3, 4] Проведенными испытаниями установлено, что поверхностное сложное легирование хромом, титаном, ванадием стали 40Л и чугуна СЧ25 способствует повышению их кавитационной стойкости в 10 12 и 20 25 раз соответственно, понижает потери от коррозии в морской среде (синтезированной) в 6 8 и 7 9 раз соответственно.

Высотные испытания на гидроабразивную стойкость, проведенные по методике, изложенной в работе [5] показали, что поверхностное легирование стали 40Л и чугуна СЧ25 в литейной формы вызывает повышение этого параметра в 12 15 раз.

Испытания на износ проводили на машине типа МИ в условиях сухого скольжения при скорости скольжения 1,0 м/мин, нагрузке 10 кгс/мм² в течение 2 ч. Контртело стальной диск из Р18.

Проведенными испытаниями установлено, что потери от трения образцов, легированных в литейной форме с обмазками предлагаемого состава, ниже в 4,6 5,3 раза, чем у образцов, легированных в форме с обмазкой известного состава.

Для подтверждения положительных результатов лабораторных исследований была изготовлена опытная партия деталей для натурных испытаний. Втулки цилиндров дизелей Ч 8,5/11 отлиты в форме с обмазкой оптимального состава (состав 3) из чугуна СЧ25, а шкив редуктора в подобной же форме из стали 40Л.

Этими испытаниями установлено: втулки цилиндров, полученные в форме с предлагаемым покрытием, не имели следов разрушений на поверхности, в то время как втулки, отлитые в формы с известным покрытием, установленные на том же двигателе, после 1200 ч ускоренных [4] испытаний имели каверны эрозии по образующей на водоомываемой поверхности глубиной 0,5 1,5 мм и диаметром 3 8 мм. Штатный шкив редуктора за 500 ч эксплуатации имел борозды износа глубиной 0,5 0,6 мм, а шкив, полученный в форме с предлагаемым покрытием, не имел следов износа.

Таким образом, натурные испытания полностью подтверждают положительные результаты лабораторных исследований и показывают, что легирование отливок по предлагаемому изобретению в литейной форме является эффективным средством повышения ресурса изделий, работающих в условиях кавитации, коррозии, трения, гидроабразивного износа.

Реализация предлагаемого изобретения дает существенный экономический эффект из-за снижения парка запчастей, уменьшения расхода остродефицитных легирующих элементов, снижения ремонтных простоев судов двигателей и др. Например, реализация данного изобретения в судостроении открывает перспективы замены сложно-легированных сталей для гребных винтов типа 12Х18Н10Т, 30Х10Г10, 0Х17Н3Г4Д2Т и др. на простую углеродистую сталь (сталь 40Л или другую), поверхностно-легированную в литейной форме, заменить сложное, вредное и дорогостоящее гальваническое хромирование втулок цилиндров быстроходных дизелей на втулки, легированные в литейной форме и т.д.

Формула изобретения

ЛЕГИРУЮЩЕЕ ПОКРЫТИЕ ДЛЯ ЛИТЕЙНЫХ ФОРМ И СТЕРЖНЕЙ, содержащее карбид бора, ферросиликованадий, криолит, гидролизованный этилсиликат, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит порошок алюминия и оксиды титана и хрома при следующем соотношении компонентов, мас.

Карбид бора 8 10 Ферросиликованадий 6 8 Порошок оксида хрома 18 20 Порошок оксида титана 10 12 Порошок алюминия 13 15 Криолит 1 3 Гидролизованный этилсиликат Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1