Комбинированный способ упрочнения металлических поверхностей деталей машин, работающих в условиях абразивного изнашивания
Владельцы патента RU 2718017:
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский государственный аграрный университет" (ФГБОУ ВО Казанский ГАУ) (RU)
Изобретение относится к упрочнению поверхностей деталей, работающих в условиях интенсивного абразивного изнашивания, которое может быть использовано при производстве и восстановлении деталей машин с заданными физико-механическими свойствами режущей поверхности. Способ включает нанесение металлокерамической пасты непосредственно на упрочняемую поверхность детали и вибродуговую обработку, после которой осуществляют электроискровое легирование упрочняемой поверхности детали вольфрам-кобальтовым электродом. Металлокерамическую пасту изготавливают механическим смешиванием стального матричного порошка, в который добавляют карбид бора, буру, оксиды алюминия и кремния, криолит, алюминиевый порошок с использованием связующего в виде жидкого стекла. Вибродуговое упрочнение осуществляют с использованием графитового электрода. В процессе упрочнения происходит термодиффузионное насыщение поверхности металлокерамическими компонентами. Изобретение обеспечивает значительное снижение шероховатости упрочненного покрытия и повышение износостойкости поверхности.
Изобретение относится к области упрочнения поверхностей деталей, работающих в условиях интенсивного абразивного изнашивания. Может использоваться при производстве и восстановлении деталей машин с заданными физико-механическими свойствами режущей поверхности.
Известен способ упрочнения деталей из среднеуглеродистых и высокоуглеродистых сталей (патент RU 2270259 С2, опубликовано 20.02.2006), включающий упрочнение путем кратковременного высокотемпературного воздействия тока силой 16 кА с нанесением на поверхность детали пятен контакта в шахматном порядке или по линиям армирования.
В результате применения этого способа формируются точечные упрочненные участки, что лишь частично повышает износостойкость деталей, к тому же детали, упрочненные предлагаемым способом, обладают слабой способностью к самозатачиванию.
Известен способ упрочнения рабочей поверхности лемехов плугов, включающий электромеханическую обработку поверхности лемеха при плотности тока до 109А/м2 с образованием упрочненных зон глубиной до 3 мм в виде непрерывных линий, отличающийся тем, что упрочнению подвергают переднее и нижнее лезвия, а также носок лемеха на расстоянии 20…40 мм от переднего лезвия с шириной упрочненной зоны 10…20 мм (патент RU 2509165 С1, опубликовано 10.03.2014).
В результате применения этого способа повышается износостойкость при абразивном воздействии почвы на поверхности лемеха за счет повышения твердости чередующихся зон до 10 ГПа, однако не обеспечивает равномерный эффект самозатачивания на всей рабочей поверхности детали, что ведет к недостаточному повышению долговечности детали.
Наиболее близким, принятым за прототип, является способ упрочнения деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания (патент RU 2532602 С2, опубликовано 20.07.2014 - прототип), включающий наплавку износостойкого материала на поверхность детали вибродуговой наплавкой с использованием графитового электрода, при этом после наплавки производят нагрев детали в печи до температуры 750…770°С с выдержкой 1,5…2 мин, последующей ее закалкой и низким отпуском с нагревом до температуры 150…160°С с выдержкой детали в течение 8…10 мин.
Данный способ позволяет повысить стойкость детали к абразивному изнашиванию за счет применения металлокерамического композита. Недостатками данного метода являются: поверхность, упрочненная вибродуговой наплавкой, имеет значительную шероховатость поверхности, что отрицательно сказывается на способности детали к прорезанию почвы и способствует прилипанию почвы на рабочей поверхности детали; деталь подвергается значительным термическим воздействиям помимо процесса наплавки, что необходимо для снятия напряжений в структуре упрочненной поверхности; при наплавке применяются дополнительные пластины, на которые с обеих сторон нанесен износостойкий металлический композит толщиной 2,0…2,3 мм, что сказывается на толщине рабочей части детали. Повышение толщины режущей части потребует увеличения энергозатрат на выполнение работ.
Сущностью предлагаемого изобретения является комбинированное упрочнение деталей машин, работающих в условиях интенсивного абразивного изнашивания, включающий использование металлокерамических порошков, вибродуговую обработку, отличающееся тем, что нанесение металлокерамической пасты производится непосредственно на упрочняемую поверхность детали, после вибродуговой обработки осуществляется электроискровое легирование вольфрам-кобальтовым электродом упрочняемой поверхности детали.
Предлагаемый способ позволяет наносить металлокерамическое покрытие на упрочняемые детали в меньшей степени влияя на толщину рабочей поверхности и уменьшить термическое воздействие на обрабатываемое изделие. Получаемые предлагаемым методом поверхности обладают равномерной износостойкой структурой и низкой шероховатостью.
Последовательность технологических операций, для осуществления предлагаемого метода состоит из трех этапов:
1. Нанесение металлокерамической пасты на поверхность детали;
2. Вибродуговое упрочнение;
3. Электроискровое упрочнение.
Металлокерамическая паста изготавливается механическим смешиванием стального матричного порошка, в который добавляют карбид бора, буру, оксиды алюминия и кремния, криолит и алюминиевый порошок, затем к ним добавляют жидкое стекло в качестве связующего материала, после чего еще раз тщательно перемешивают. Металлокерамическая паста наносится на упрочняемую поверхность и высушивается до затвердевания.
Вибродуговое упрочнение осуществляется при помощи установки ВДГУ-2 с использованием графитового электрода. Между графитовым электродом и упрочняемой поверхностью с нанесенным слоем металлокерамической пасты зажигают электрическую дугу прямого действия обратной полярности, в результате чего за счет термодиссоциации компонентов пасты происходит термодиффузионное насыщение упрочняемой поверхности азотом и углеродом. Процесс ведут на следующих режимах: сила тока - 60…100 А, напряжение - до 60 В. Одновременно с термодиффузионным насыщением при горении электрической дуги на упрочняемом лезвии из компонентов пасты образуется металлокерамическое покрытие. Вибрация графитового электрода позволяет получить более плотное и прочное металлокерамическое покрытие, а его периодическое перемещение позволяет упрочнить все лезвие рабочего органа. Толщина металлокерамического покрытия составляет 1,0…1,2 мм глубина термодиффузионного упрочнения - 1,5…1,6 мм, твердость упрочненной поверхности - 1600-1700 HV.
Далее производится электроискровое легирование с применением вольфрам-кобальтового электрода. Способ не приводит к термическому отпуску слоя, а позволяет сохранить скоростную закалку наносимого материала и получать в слое значительное количество сверхмелкодисперсных кристаллических структур, включая и аморфные фазы, что улучшает износостойкость обработанных деталей. В ходе электроискрового упрочнения происходит дополнительное легирование поверхности упрочнения вольфрамом и кобальтом за счет сублимации вольфрам-кобальтового электрода.
Следствием комбинирования двух способов упрочнения являются: - уменьшение энергетических и трудовых затрат на 30% по сравнению с прототипом. Электроискровое легирование требует в значительной степени меньше энергозатрат по сравнению с длительным нагревом детали в печи до температуры более 700°С. Отсутствие необходимости изготовления дополнительной пластины и их проплавку при упрочнении, благодаря непосредственному нанесению металлокерамической пасты на деталь, также способствуют снижению энергозатрат;
- уменьшение шероховатости поверхности до двух раз. Показатели шероховатости поверхности при использовании предлагаемого комбинированного способа в 2 раза ниже, чем при использовании способа вибродуговой наплавки с последующей термообработкой;
- увеличение твердости покрытия на 13%. Твердость упрочненных поверхностей предлагаемым методом увеличивается до 1600-1700 HV за счет образования более плотной кристаллической структуры в упрочненном слое, создания более равномерного упрочненного покрытия и расширения номенклатуры легирующих элементов.
Способ комбинированного упрочнения деталей машин, работающих в условиях интенсивного абразивного изнашивания, включающий нанесение металлокерамической пасты непосредственно на упрочняемую поверхность детали и вибродуговую обработку, отличающийся тем, что после вибродуговой обработки осуществляют электроискровое легирование упрочняемой поверхности детали вольфрам-кобальтовым электродом.
