СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ИЗНОШЕННЫХ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ
METHOD OF WORN-OUT STEEL PARTS RESTORATION AND STRENGTHENING

Изобретение относится к восстановлению и упрочнению изношенных стальных деталей и может быть использовано в машиностроительной, металлургической и других отраслях промышленности при восстановлении размеров рабочих поверхностей с последующим их упрочнением.
Известен способ упрочнения инструмента при его изготовлении или восстановлении [Патент РФ №2167750, 2001], включающий электрошлаковую наплавку его рабочей части и легирование упрочняемого слоя за счет электролизного осаждения. Недостатками этого способа являются ограниченность технологических возможностей способа и необходимость проплавлять упрочняемый слой значительной глубины (порядка 20 мм).
Наиболее близким по технической сущности, выбранным в качестве прототипа является способ восстановления и упрочнения изношенных стальных деталей [Заявка на изобретение РФ №99125585, 2001], при котором проводят обезжиривание изношенной поверхности, ее нагрев, флюсование, наплавку алюминиевого сплава намораживанием, механическую обработку детали до номинального размера с последующим упрочнением анодированием.
Известной причиной, препятствующей достижению технического результата, обеспечиваемого предлагаемым изобретением, является ограничение нагрузки при эксплуатации восстановленной детали пределом текучести наплавленного алюминиевого сплава и опасность разрушения на границе «сталь - алюминиевый сплав» в результате образования хрупких интерметаллидов (алюминидов железа).
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является восстановление ресурса деталей и повышение эффективности и надежности их последующей эксплуатации.
При осуществлении изобретения поставленная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается в восстановлении номинальных размеров деталей с созданием в поверхностном слое заданной массовой концентрации легирующих элементов и увеличении микротвердости поверхностного слоя, что позволяет повысить эксплуатационные нагрузки и сцепление наплавленного и упрочненного слоя с основным материалом детали.
Указанный технический результат достигается за счет восстановления и упрочнения детали по следующей технологии: 1) удаление механической обработкой слоя стали, достаточного для обеспечения заплавки микроскопических трещин в процессе нанесения восстановительного слоя; 2) наплавка на подготовленную поверхность детали восстановительного стального слоя, содержащего по крайней мере один из легирующих элементов (мас.%): хром 0,8-6,4; алюминий 0,5-1,5; кремний 0,9-2,0; 3) механическая обработка детали до размера, на 0,1-0,2 мм превышающего номинальный; 4) нагрев и анодирование детали с последующим охлаждением; 5) чистовая механическая обработка детали до номинального размера (доводка детали шлифованием или полированием).
Между заявленным техническим результатом и существенными признаками изобретения имеется следующая причинно-следственная связь: наплавка на изношенную поверхность деталей восстановительного слоя стали заданного химического состава обеспечивает восстановление размеров и создает предпосылки для последующего упрочнения детали анодированием в солевом расплаве, а трижды выполняемая механическая обработка решает конкретные задачи на каждом этапе предлагаемого способа, что, в целом, позволяет восстановить ресурс и обеспечить эффективную и надежную последующую эксплуатацию деталей из различных марок сталей.
В частности, предварительная механическая обработка изношенной поверхности детали позволяет уменьшить глубину микроскопических усталостных трещин и заплавить их в процессе нанесения восстановительного слоя. Это устранит множество очагов развития эксплуатационных трещин и повысит надежность работы восстановленных деталей.
Вторая механическая обработка детали (после наплавки) до размера на 0,1-0,2 мм более номинального решает задачу придания наплавленному слою требуемой шероховатости и создания припуска на анодирование в солевом расплаве. Величина припуска в 0,1-0,2 мм (в зависимости от марки стали) установлена экспериментально и обусловлена растворением материала слоя в процессе анодирования в течение двух часов.
Чистовая механическая обработка детали обеспечивает номинальный размер и требуемую шероховатость поверхности, после чего возможна дальнейшая эксплуатация детали, т.е. восстановлен ее ресурс.
2
Наплавку восстановительного стального слоя выполняют различными известными способами (в промышленности используется более 40 способов [Справочник сварщика / Под ред. В.В.Степанова. - М.: Машиностроение, 1982. 560 с., с.452], в том числе электрошлаковая наплавка и намораживание). Наиболее предпочтительными являются следующие способы наплавки: ручная электродуговая плавящимся электродом, автоматическая под слоем флюса, электродуговая в среде защитных газов, газовая. Толщина восстановленного слоя должна обеспечить механическую обработку детали до размера, на 0,1-0,2 мм превышающего номинальный, и получение заданной шероховатости поверхности. Заданный состав слоя должен обеспечить последующее увеличение микротвердости в поверхности детали (коэффициент упрочнения) в 1,8-2,4 раза в результате анодирования в солевом расплаве током плотностью 0,03-0,12 А/см в течение двух часов при температуре 1025-1190 К с использованием стального вспомогательного электрода. Упрочнение поверхности позволит в дальнейшем эффективнее эксплуатировать деталь.
2
2
Интервал плотности тока и длительность анодирования подобраны экспериментально, исходя из состава восстановительного слоя и требуемого коэффициента упрочнения. Анодирование током плотностью менее 0,03 А/см малоэффективно при любой продолжительности процесса из-за невозможности получения пассивирующей пленки. Использование плотности тока выше 0,12 А/см приводит к некоторому уменьшению толщины упрочненного слоя из-за ускоренного растворения детали и возможной ее перепассивации. Превышение двухчасового анодирования также повышает потери металла.
Состав восстановительного стального слоя выбран, исходя из установленной закономерности поведения легирующих элементов при пропускании электрического тока через металлический образец, погруженный в солевой расплав [Кусков В.Н., Ковенский И.М., Моргун И.Д. Электротермическое упрочнение поверхности деталей машин. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2006. 150 с., с.25-57]. Нижний предел содержания хрома, алюминия и кремния обеспечивает увеличение поверхностной микротвердости на 80%, превышение верхнего предела приводит к незначительному повышению коэффициента упрочнения, но при этом становится дороже наплавочный материал и возникают технические трудности при его изготовлении и наплавке. Одновременное присутствие указанных легирующих элементов в восстановительном слое и введение в него углерода повышает коэффициент упрочнения после анодирования.
В качестве солевого расплава используют вакуумированный расплав тетрабората натрия с добавкой 0,2-0,5 мас.% оксида железа (II)
[А.С. СССР 1761812, опубл. 1992]. Нижний предел температурного интервала 1025 К обусловлен необходимостью получения требуемой вязкости расплава, а повышение температуры выше 1190 К приводит к увеличению потерь материала восстановительного стального слоя.
Прочность сцепления восстановительного слоя с основным материалом детали сопоставима с пределом прочности основного материала, т.к. при наплавке переходный слой образуется из смеси основного и наплавляемого материалов, следовательно, предлагаемый способ повышает эффективность и надежность последующей эксплуатации детали по сравнению с прототипом.
Упрочнение стальных деталей анодированием в солевом расплаве известно [Патент РФ №2061089, опубл. 1996]. Однако в предлагаемом способе подобраны оптимальные режимы и анодирование органично встроено в технологическую последовательность действий по восстановлению и упрочнению изношенных стальных деталей, которая дает синергетический эффект, позволяя восстановить ресурс деталей и повысить эффективность и надежность их последующей эксплуатации. Синергетический эффект заключается в повышении поверхностной микротвердости по сравнению с обычной наплавкой за счет обогащения поверхностного слоя хромом, алюминием и/или кремнием в результате пропускания электрического тока. В качестве основного материала детали может применяться дешевая нелегированная или менее легированная сталь. В предлагаемом способе установлен состав восстановительного слоя и размер механически обработанной детали перед анодированием, что существенно влияет на осуществление способа.
Режимы и результаты осуществления предлагаемого способа приведены в таблице 1.
Таблица 1
Режимы и результаты осуществления предлагаемого способа
№ образца
Температура, К
Плотность тока, А/см<sup>2</sup>
Микротвердость поверхностного слоя детали, ГПа
К
Р<sub>кр</sub>, кН
до анодирования
после анодирования
1
1190
0,09
2,13
4,27
2,0
21,4
2
1073
0,03
2,47
5,93
2,4
22,7
3
1073
0,08
1,72
3,12
1,8
16,4
4
1025
0,12
2,32
5,33
2,3
21,9
5
1093
0,08
2,03
4,45
2,2
19,8
6
1203
0,02
1,64
1,80
1,1
15,7
7
1020
0,15
2,64
3,43
1,3
22,7
8 (прототип)
-
-
-
2,89
-
11,2
Таблица 2
Химический состав восстановительного стального слоя*
№ образца
Содержание, масс.%
С
Cr
Al
Si
Mn
S
P
Fe
1
0,2
0,8
-
0,2
0,4
0,03
0,02
остальное
2
0,2
6,4
0,5
0,3
0,3
0,02
0,02
3
0,1
-
-
0,9
0,2
0,03
0,03
4
0,1
1,8
0,7
2,0
0,4
0,02
0,03
5
0,2
-
1,5
1,1
0,3
0,02
0,02
6
0,1
0,3
0,2
0,3
0,4
0,03
0,04
7
0,1
6,8
1,6
2,5
0,4
0,02
0,03
8** (прототип)
-
-
92,4
6,3
-
-
-
0,4
Примечания. * Углерод, кремний, марганец, сера и фосфор присутствуют в стали в большинстве случаев; кремний в образцах №№1, 2, 6 не является легирующим элементом, а используется в качестве раскислителя.
** Не учтены примеси Mg, Ti, Be, Mn, S, P.
Для осуществления предлагаемого способа использовали образцы стали 10 в виде цилиндров диаметром 40,0 мм (который и принимали за номинальный размер) и высотой 25,0 мм. Предварительно их обтачивали на станке 1К62 по цилиндрической поверхности с глубиной резания 0,15 мм, а затем по цилиндрической поверхности ручной электродуговой сваркой плавящимся электродом наплавляли восстановительный слой стали толщиной 1,3-1,8 мм, состав которого указан в таблице 2. После этого выполняли механическую обработку (обтачивание цилиндрической поверхности) до получения диаметра 40,1-40,2 мм без следов «чешуйчатости» наплавки, а затем с торца приваривали токоподводы из стали 10.
3
Анодирование осуществляли в шахтной печи сопротивления СШОЛ-1.1,6/12-М3 мощностью 2,5 кВт и рабочим объемом 2,65 дм, используя источник постоянного тока SUNKKO PS-152+. Температуру задавали и поддерживали с помощью автоматического блока управления печи. В качестве солевого расплава использовали тетраборат натрия двойной переплавки (сначала на воздухе, а затем при остаточном давлении около 10 Па при 1273 К), в который добавляли 0,2-0,5 мас.% оксида железа (II).
Вакуумированный тетраборат натрия с FeO в корундизовом тигле помещали в печь и нагревали до требуемой температуры анодирования, после чего в солевой расплав погружали образец и стальной вспомогательный электрод в виде прутка диаметром 10 мм, подключали их к источнику постоянного тока с помощью соединительных проводов и начинали анодирование по режимам, указанным в таблице 1.
Через 2 часа образец извлекали из солевого расплава, охлаждали на воздухе, удаляли токоподвод и подвергали чистовой механической обработке шлифованием или полированием с предотвращением удаления слоя металла, обогащенного легирующими элементами, получая номинальный размер (диаметр 40,0 мм).
2
Образцы по способу-прототипу получали после обезжиривания и флюсования при 673 К цилиндров диаметром 40,0 мм и высотой 25,0 мм, намораживая на них сплав АЛ9 при 953 К, а после механической обработки анодируя в серной кислоте током плотностью 12,3 А/дм в течение 30 мин.
кр
Для сравнения образцы, полученные предлагаемым способом и способом-прототипом, испытали на сжатие перпендикулярно цилиндрической поверхности на механическом прессе УММ-5 со скоростью нагружения 2 мм/мин и определили усилие Р, при котором деформация составила 1,5% от номинального размера - критическое усилие.
Микротвердость поверхностного слоя (с торца образца) измерили на приборе ПМТ-3М при нагрузке на индентор 1,47 Н. Коэффициент упрочнения К рассчитывали как отношение микротвердости поверхностного слоя образца после анодирования к микротвердости до анодирования.
кр
Приведенные результаты показывают преимущества предлагаемого способа по сравнению с прототипом. Так, критическое усилие Р, до величины которого возможна эксплуатация восстановленных и упрочненных деталей на 46,4-102,7% выше у образцов, обработанных по предлагаемому способу, т.е. повышаются эффективность и надежность последующей эксплуатации восстановленных деталей. Кроме того, микротвердость упрочненного поверхностного слоя, полученного по предлагаемому способу, выше (3,12-5,93 ГПа по сравнению с 2,89 ГПа у образцов, соответствующих способу-прототипу), что должно привести к повышению износостойкости (увеличить ресурс эксплуатации деталей).
кр
В случае образцов №6 и №7, не соответствующих предлагаемому способу, Р выше, чем у образцов, соответствующих прототипу, но коэффициент упрочнения К равен 1,1-1,3, в то время, как у образцов, полученных согласно предлагаемому способу, величина К составляет 1,8-2,4, т.е. эффективность их упрочнения выше. Кроме того, при наплавке восстановительного стального слоя на образце №7 наблюдали перегрев электродов и повышенную вязкость наплавленного металла, что затрудняло процесс.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет восстановить ресурс изношенных деталей и повысить эффективность и надежность их последующей эксплуатации.