Способ изготовления биметаллических спеченных износостойких изделий

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению биметаллических изделий на основе железа с повышенной износостойкостью поверхностного слоя для различных условий трения и износа. Прессуют биметаллическое изделие, содержащее корпус из порошка железа и поверхностный слой из смеси, приготовленной смешиванием 60 мас.% порошка железа и 40 мас.% смеси порошков карбида бора и феррохрома в соотношении 1:1 или 1:1,5, или смешиванием 82-85 мас.% порошка железа и 15-18 мас.% порошка карбида хрома. Спекание проводят в два этапа: на первом - прессовки спекают в камерной печи при температуре 1150-1200°С в течение 100-200 минут в защитной среде, на втором - осуществляют высокотемпературное спекание поверхностного слоя токами высокой частоты при 1300-1400°С в течение 10-40 с на глубину 3-4 мм. После спекания изделие подвергают закалке в жидкой среде. Способ позволяет получить изделие с высокой износостойкостью и повысить производительность.

 

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению биметаллических износостойких изделий с повышенной износостойкостью для различных условий трения и износа.

Известен способ нагрева спеченных заготовок из ферромагнитного материала, включающий нагрев поверхности заготовки с помощью индуктора до заданной температуры (патент РФ №2112328 C1).

Недостатком известного способа является то, что при спекании ферромагнитных изделий из-за недостаточного удельного электрического сопротивления глубина проникновения тока в металл мала и нагрев слоя заданной толщины осуществляется в этом случае за счет теплопроводности. Применение смеси порошков железа, феррохрома, карбидов бора или хрома позволяет добиться повышения удельного электрического сопротивления спекаемого износостойкого слоя, а следовательно, увеличить интенсивность нагрева этого слоя.

Известен способ изготовления коррозионно- и износостойких изделий из порошка железа с добавлением порошков нержавеющей стали, карбида хрома и графита, в котором осуществляют спекание при ступенчатом режиме с нагревом от 250 до 1250°С с выдержкой через каждые 100-150°С в течение 1 часа (патент РФ №2051197(13) С1).

Недостатком известного способа является большая продолжительность технологического процесса, так как прессовки спекают в камерных печах и то, что получаемые изделия обладают недостаточной износостойкостью при различных условиях трения.

Известен способ изготовления слоистого материала для молотка кормодробильной машины, включающий приготовление шихты армирующего и несущего слоев, послойную их засыпку в полость матрицы, горячую штамповку, причем горячую штамповку проводят при 1050-1100°С, после чего термообрабатывают материал путем нагрева токами высокой частоты до 1180-1220°С. Шихту армирующего слоя готовят при следующем соотношении компонентов, мас.%: карбид хрома 30-60, графит 0,5-2, железо - остальное. Шихта несущего слоя содержит, мас.%: карбид хрома 2-5, графит 0,3-0,5, железо - остальное (AC SU 1729698 А1).

Недостатком известного способа является то, что послойная засыпка ограничивает область применения материалов, исключает автоматизацию и механизацию процесса изготовления прессовки, низкая температура нагрева токами высокой частоты не обеспечивает требуемые свойства износостойкого слоя из-за недостаточного диффузионного взаимодействия компонентов шихты, образованием рыхлых зон под слоем износа, при содержании карбида хрома мас.% 30-60 в шихте армирующего слоя формующие элементы штампа, применение горячей штамповки усложняет технологический процесс изготовления заготовок, приводит к снижению удельного электрического сопротивления и глубины проникновения тока в прессовку, а следовательно, интенсивности нагрева ТВЧ.

Задачей изобретения является получение изделий, обладающих высокой износостойкостью, а также повышение экономической составляющей и производительности за счет сокращения времени при спекании и термообработке, увеличения эффективности индукционного нагрева и сокращения расхода дорогих материалов, за счет того, что приготовление смеси износостойкого слоя осуществляют перемешиванием порошков железа, феррохрома, карбидов бора или хрома, осуществляют прессование биметаллического изделия, содержащего корпус и поверхностный слой, спекание проводят в две стадии: сначала в камерной печи в защитной среде в течение 100-120 мин с нагревом до 1150-1200°С для достижения требуемых свойств корпуса детали, затем токами высокой частоты с нагревом до 1300-1400°С в течение 10-40 с, на глубину 3-4 мм, для достижения плотности и износостойкости рабочего слоя.

Предложенное изобретение позволяет сократить технологические операции спекания и термообработки биметаллических порошковых изделий до 122-125 мин, снизить расход легирующих добавок, так как корпус деталей изготовляется из порошка железа, а рабочий слой из смеси порошков, что снижает себестоимость производства изделий при достижении требуемых механических и эксплуатационных свойств. Добавление в шихту рабочего слоя порошка феррохрома, наряду с порошками карбидов и железа, позволяет снижать пористость рабочего слоя до 10-14%, что в то же время обеспечивает рост удельного электрического сопротивления и глубины проникновения тока в биметалл.

Для получения указанного результата предложен способ изготовления биметаллических износостойких изделий на железной основе, включающий приготовление смеси износостойкого слоя путем перемешивания порошков железа, феррохрома, карбидов бора или хрома в конусном смесителе в течение 150-160 мин. Статическое холодное прессование биметаллического изделия, содержащего корпус и поверхностный слой под давлением 450-600 МПа. Для получения наружного слоя заданной толщины используются специальный смеситель и новая технология формования (AC SU 1569079 А1). На первом этапе прессовки спекали в камерной при температуре 1150-1180°С в течение 100-120 мин в среде диссоциированного аммиака. На втором этапе осуществляли высокотемпературное спекание токами высокой частоты с последующей закалкой в жидкой среде.

Пример 1. В штучном и мелкосерийном производстве при реализации предложенного способа при формовании биметаллических изделий применяется устройство, содержащее матрицу с загрузочной полостью, составной пуансон и загрузочную камеру с разделительной перегородкой. Загрузочная камера данного устройства выполнена с регулируемыми телескопическими патрубками с загрузочными отверстиями на их внутренних боковых поверхностях, а перегородка камеры жестко закреплена относительно ее вертикальной оси, что обеспечивает увеличение выхода годных изделий и регулирование толщины слоев изделия (AC SU 1569079 А1).

Пример 2. В крупносерийном и массовом производстве реализация предложенного способа возможна применением при формовании пресс-формы, включающей матрицу, верхний и нижний пуансоны и подвижный центральный стержень, который выполнен составным и состоит из корпуса, иглы с фланцем, накидной гайки и установленной между иглой и корпусом пружины, накидная гайка установлена на корпусе с возможностью взаимодействия с фланцем иглы и с нижним пуансоном (AC SU 131513 А1).

Пример 3. Для повышения износостойкости по предложенному способу изготовляли биметаллические изделия на железной основе с составом поверхностного слоя по массе: 40% смесь порошков карбида бора и феррохрома, в соотношении 1:1, и 60% порошок железа ПЖВ3 - 160. На первом этапе прессовки полученные статическим холодным прессованием корпуса и поверхностного слоя под давлением 450 МПа спекали в камерной печи в течение 100-120 мин в среде диссоциированного аммиака. На втором этапе осуществляли высокотемпературное спекания токами высокой частоты в течение 45 с с последующей закалкой в жидкой среде. В результате получили, что пористость заготовок составляет 14%, твердость поверхностного слоя - 68 HRC, коэффициент относительной износостойкости при трении об абразивную электрокорундовую шкурку по эталону из стали У8 - 2,1.

Пример 4. То же, что и в примере 3, только состав поверхностного слоя по массе состоит из 40% смеси порошков карбида бора и феррохрома, в соотношении 1:1,5, и 60% порошка железа ПЖВ3 - 160. В результате установлено, что пористость составляет 12%, твердость поверхностного слоя 69 HRC, коэффициент относительной износостойкости при трении об абразивную электрокорундовую шкурку по эталону из стали У8 - 2,4.

Пример 5. То же, что и в примере 3, только состав поверхностного слоя по массе состоит из 20% порошка карбида хрома и 80% порошка железа ПЖВ3 - 160. В результате установлено, что пористость составляет 12%, а твердость поверхностного слоя 66 HRC, коэффициент относительной износостойкости при трении об абразивную электрокорундовую шкурку по эталону из стали У8 - 2,5.

Пример 6. То же, что и в примере 3, только состав поверхностного слоя по массе состоит из 15% порошка карбида хрома и 85% порошка железа ПЖВ3 - 160. В результате установлено, что пористость составляет 14%, а твердость поверхностного слоя 65 HRC, коэффициент относительной износостойкости при трении об абразивную электрокорундовую шкурку по эталону из стали У8 - 2,12.

Пример 7. То же, что и в примере 3, только состав поверхностного слоя по массе состоит из 10% порошка карбида хрома и 90% порошка железа ПЖВ3 - 160. В результате установлено, что пористость составляет 12%, а твердость поверхностного слоя 65 HRC, коэффициент относительной износостойкости при трении об абразивную электрокорундовую шкурку по эталону из стали У8 - 2,1.

Изготовленные по предлагаемой технологии биметаллические материалы на железной основе, поверхностный слой которых легирован порошками ферросплавов, карбидов и других соединений, обладают повышенной износостойкостью этого слоя при различных условиях трения.

Способ изготовления биметаллического спеченного износостойкого изделия на основе железа, включающий приготовление порошковой смеси поверхностного слоя, прессование биметаллического изделия, содержащего корпус и поверхностный слой, спекание и термообработку, отличающийся тем, что прессуют биметаллическое изделие, содержащее корпус из порошка железа и поверхностный слой из смеси, приготовленной смешиванием 60 мас.% порошка железа и 40 мас.% смеси порошков карбида бора и феррохрома в соотношении 1:1 или 1:1,5, или смешиванием 82-85 мас.% порошка железа и 15-18 мас.% порошка карбида хрома, спекание проводят в два этапа, при этом на первом этапе прессовки спекают в камерной печи при температуре 1150-1200°С в течение 100-200 мин в защитной среде, на втором этапе осуществляют высокотемпературное спекание поверхностного слоя токами высокой частоты при 1300-1400°С в течение 10-40 с на глубину 3-4 мм, а в качестве термообработки проводят закалку в жидкой среде.