Способ восстановления и повышения износостойкости изношенных деталей из сталей и чугунов

Авторы патента:

C23C26/02 - нанесение расплавленного материала на подложку (нанесение плавов на поверхность вообще B05)

B23P6 - Восстановление или ремонт изделий (правка или восстановление формы листовых металлов, металлических стержней, металлических труб, металлических профилей или специфических изделий, изготовленных из них B21D 1/00,B21D 3/00; восстановление дефектных или поврежденных изделий путем наплавки B22D 19/10; способы или устройства, отнесенные к одному из других подклассов, см. соответствующий подкласс)

B23H9 - Обработка специальных металлических объектов или для получения специального эффекта или результата на металлических объектах (термообработка тлеющим разрядом C21D 1/38)

Владельцы патента RU 2271913:

Институт физики прочности и материаловедения (ИФПМ) СО РАН (RU)

Изобретение относится к машиноведению и ремонту деталей машин. Предложенный способ включает нанесение электроискровым легированием по крайней мере одного покрытия. Износостойкое покрытие наносят электродом из интерметаллида Ni₃Al, легированного бором, следующего состава, мас.%: Al - 2-15; В - 0,02-0,2, Ni - остальное. В частных случаях выполнения изобретения рассматриваемый электрод дополнительно содержит дисперсные частицы нитрида кремния Si₃N₄. Перед нанесением на деталь износостойкого покрытия в качестве промежуточного адгезионно-барьерного покрытия наносят слой никеля толщиной 20-50 мкм. После нанесения покрытия проводят механическую обработку деталей. Восстанавливают детали с износом до 100 мкм или с износом 100-300 мкм. Техническим результатом изобретения является разработка способа, позволяющего восстановить и повысить износостойкость изношенных деталей, а также увеличить прочность сцепления нанесенного покрытия с материалом основы. 5 з.п. ф-лы, 3 табл.

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/см².

Недостатком данного способа является то, что в качестве износостойкого покрытия используется медь, температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) которой равен α=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 α=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 Ni₃Al, 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 Si₃N₄, 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 α=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 Si₃N₄ 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 Ni₃Al с материалом восстанавливаемых деталей. ТКЛР никеля близок к ТКЛР сталей и чугунов и равен α=11,4·10^-6 К^-1 при Т=200 К и α=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 Ni₃Al, 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 α (при данной температуре Т) или среднего ТКЛР (в интервале ΔТ)
Марка или название	ΔТ, Т, °С	α, , 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 ΔT)
Марка стали	ΔТ, °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 Ni₃Al, легированного бором, в зависимости от содержания нитрида кремния Si₃N₄. Приведены значения среднего ТКЛР α (в интервале ΔТ=295-1275 К)
Состав материала (мас.%)	α·10^-6К^-1
Интерметаллид Ni₃Al, легированный бором	16,3
Интерметаллид Ni₃Al, СВС	16,3
Интерметаллид Ni₃Al, легированный бором - 99,1 Нитрид кремния Si₃N₄ - 0,9	15,6
Ni₃Al, легированный бором - 97,7 Si₃N₄ - 2,3	15,0
Ni₃Al, легированный бором - 96,3 Si₃N₄ - 3,7	14,2
Ni₃Al, легированный бором - 95,4 Si₃N₄ - 4,6	13,3
Ni₃Al, легированный бором - 94,4 Si₃N₄ - 5,6	13,3
Ni₃Al, легированный бором - 90,1 Si₃N₄ - 9,9	13,3
Ni₃Al, легированный бором - 84,2 Si₃N₄- 15,8	12,6

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, Si₃N₄ 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.

Изобретение относится к способу получения защитного покрытия на поверхности деталей из стали. .

Способ получения защитного покрытия на поверхности выполненных из чугуна деталей, а также двигатель, по меньшей мере, с одной выполненной из чугуна деталью, снабженной на своей поверхности защитным покрытием // 2235805

Изобретение относится к способу получения защитного покрытия на поверхности деталей из чугуна. .

Способ изготовления ванн для нанесения покрытий из расплава цинка // 2219285

Изобретение относится к обработке металлов немеханическими способами и может быть использовано при нанесении защитного слоя в ваннах для цинкования изделий из металла.

Способ нанесения защитного покрытия на поверхность металла, контактирующего с пищевыми продуктами // 2213806

Изобретение относится к области нанесения защитных антипригарных покрытий на изделия из металла, контактирующих с пищевыми продуктами, и может быть использовано для нанесения защитных покрытий на хозяйственную посуду, ранее бывшую в эксплуатации.

Блок цилиндров из легкого сплава, способ его изготовления и устройство для осуществления способа // 2212472

Изобретение относится к износостойким и трибологически оптимизированным рабочим поверхностям цилиндров. .

Способ нанесения на металлическую основу покрытия из термопластического материала // 2203349

Изобретение относится к нанесению покрытия из пластмассы на металлическую основу и может быть использовано в промышленности для изготовления консервных банок. .

Способ изготовления щелочного реагента для регенерации смазочного масла // 2140463

Изобретение относится к области машиностроения, энергетики, химии и нефтехимии, конкретно, к области получения щелочных многокомпонентных сплавов, в частности, , используемых в качестве щелочного реагента при регенерации смазочных масел.

Способ получения покрытий // 2002854

Способ нанесения металлических покрытий на поверхности деталей // 1803472

Способ индукционной наплавки // 1801063

Инструмент для ультразвуковой обработки конической резьбы деталей // 2271912

Изобретение относится к области комбинированной обработки металлов, восстановлению и упрочнению конических резьбовых поверхностей. .

Способ восстановления лемехов плугов // 2271911

Изобретение относится к области восстановления изношенных деталей, например для восстановления с упрочнением лемехов плугов сельскохозяйственной техники. .

Способ восстановления внутренних цилиндрических поверхностей деталей // 2271910

Изобретение относится к области восстановления изношенных деталей из черных и цветных металлов, работающих в узлах трения без смазочного материала или в условиях граничной смазки, например, его можно использовать для восстановления с упрочнением посадочных отверстий опор валов жаток кормоуборочных комбайнов.

Состав для улучшения физико-механических свойств металлических изделий (варианты) // 2271408

Изобретение относится к машиностроению и порошковой металлургии и может быть использовано для упрочнения и восстановления изношенных металлических поверхностей путем создания на них металлокерамического слоя, обладающего высокими триботехническими характеристиками, износостойкостью и коррозионной стойкостьюДля оценки новизны и технического уровня заявленного решения рассмотрим ряд известных заявителю технических средств аналогичного назначения, характеризуемых совокупностью сходных с заявленным изобретением признаков.

Инструмент для ультразвуковой обработки конической резьбы деталей // 2271270

Инструмент для ультразвуковой обработки конической резьбы деталей // 2271269

Способ электрошлаковой наплавки крупногабаритных торцов // 2271267

Изобретение относится к металлургии наплавки и специальной электрометаллургии и может быть использовано для ремонта изношенных и изготовления наплавкой крупногабаритных торцовых поверхностей деталей машин и инструментов.

Способ восстановления резьбовых элементов нефтепромысловых труб и устройство для его осуществления // 2270744

Изобретение относится к комбинированным методам восстановления и подготовки к эксплуатации резьбовых элементов бурильных, обсадных и насосно-компрессорных труб на ремонтных базах и в полевых условиях, а также к методам технического обслуживания и поддержания в надлежащем состоянии резьбовых элементов во время спуско-подъемных операций с трубными колоннами для бурения и эксплуатации нефтегазовых и других скважин.

Способ удаления дефекта металла // 2267391

Изобретение относится к обработке металлов, в частности к способам исправления дефектов металлов, преимущественно алюминия и сплавов на его основе, и может быть использовано в атомной промышленности при изготовлении тепловыделяющих элементов, а также в машиностроении.

Способ восстановления шипа для замкодержателя автосцепки // 2267390

Изобретение относится к восстановлению деталей корпуса автосцепки и может быть использовано при ремонте автосцепок железнодорожных вагонов, спецтехники и техники для обслуживания путей.

Электрод-инструмент // 2265503

Изобретение относится к области металлургии, а именно к электрохимической обработке. .