СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ИЗНОШЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ
RESTORATION METHOD OF WORN-OUT SURFACES OF STEEL PARTS

Изобретение относится к технологии восстановления изношенных поверхностей стальных деталей на основе самофлюсующихся сплавов, обладающих высоким сопротивлением абразивному изнашиванию, стойкости против коррозии и окисления в сочетании с отличными антифрикционными свойствами в широком интервале температур, работающих в условиях агрессивной среды и интенсивного изнашивания.
Известен способ восстановления деталей, при котором на изношенную часть детали устанавливают и закрепляют сваркой предварительно сформированную оболочку, внешнюю часть которой формируют по конфигурации неизношенной части детали, а внутреннюю поверхность - по конфигурации подготовленной к наплавке изношенной части детали, при этом для повышения качества и упрощения технологии оболочку выполняют составной и разной формы в зависимости от формы детали (см., например, описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №789253, кл. B23K 9/04, 1979).
Однако применение такого способа требует больших трудозатрат по подготовке сформированной оболочки, при этом значительно усложняется технология восстановления наплавкой, а в ряде случаев способ практически не удается применить, особенно при восстановлении неравномерного износа на больших площадях по сечению и периметру.
Известен также способ наплавки деталей, используемый для восстановления режущих инструментов, при котором используют формирующее устройство большой теплопроводности в виде съемного медного водоохлаждаемого шаблона-кристаллизатора с внутренним отверстием, имеющим конфигурацию рабочей части наплавленного изделия (см., например, описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №1776511, кл. B23K 9/04, 1992).
Недостатком известного способа является то, что он практически не предназначен для наплавки поверхностей больших размеров с неравномерным износом.
Наиболее близким из известных по своей технической сущности и достигаемому эффекту является выбранный в качестве прототипа способ восстановления изношенных поверхностей стальных деталей, работающих в условиях агрессивной среды, при котором осуществляют механическую обработку изношенной поверхности, нагрев, дробеструйную активацию, нанесение покрытия посредством газопламенного напыления с последующим оплавлением поверхности покрытия и его механическую обработку (см., например, описание изобретения к патенту РФ №2385211, кл. B23P 6/00, опубл. 27.03.2010).
Существенным недостатком этого способа является разупрочнение металла основы на участках, прилегающих к оплавленному покрытию, что отрицательно сказывается на прочностных характеристиках деталей и ограничивает применение способа для деталей и узлов, работающих при предельных нагрузках.
Технический результат, на решение которого направлено изобретение, состоит в повышении качества восстановления изношенных поверхностей стальных деталей за счет получения износостойкого и коррозионно-стойкого покрытия, повышения физико-механических свойств восстановленных деталей, работающих в условиях агрессивной среды, и исключения возникновения трещин в покрытии при закалке, например, плунжеров насосов высокого давления бурового оборудования нефтяной промышленности, изготовленных из стали 40ХН2МА.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе восстановления изношенных поверхностей стальных деталей, работающих в условиях агрессивной среды, при котором осуществляют механическую обработку изношенной поверхности, нагрев, дробеструйную активацию, нанесение покрытия посредством газопламенного напыления с последующим оплавлением поверхности покрытия и его механическую обработку, газопламенное напыление износостойкого слоя осуществляют с применением механической смеси из мультикомпонентного самофлюсующегося порошкового сплава и порошкового карбида вольфрама в количестве 38-43% от мультикомпонентного самофлюсующегося порошкового сплава, оплавление поверхности покрытия проводят при температуре 1150-1180°C, далее для исключения возникновения трещин в покрытии и в материале основы осуществляют выдержку деталей в термоконтейнере до температуры 500°C и двухступенчатую термообработку, включающую закалку деталей до температуры 830-860°C с охлаждением в индустриальном масле до температуры 650-720°C и выдержку до температуры естественного остывания, после чего осуществляют механическую обработку нанесенного покрытия до номинального размера детали, при этом мультикомпонентный самофлюсующийся порошковый сплав включает кремний, железо, углерод, бор, хром и никель при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:
кремний - 2,4-3,4;
железо - 3,0-7,0;
углерод - 0,3-0,6;
бор - 1,7-2,5;
хром - 8,0-14,0;
никель - остальное.
Сравнение заявленного технического решения с прототипом позволило установить соответствие его критерию "новизна", так как оно не известно из уровня техники.
Предложенный способ является промышленно применимым существующими техническими средствами и соответствует критерию "изобретательский уровень", т.к. он явным образом не следует из уровня техники, при этом из последнего не выявлено каких-либо преобразований, характеризуемых отличительными от прототипа существенными признаками, на достижение указанного технического результата.
Таким образом, предложенное техническое решение соответствует установленным условиям патентоспособности изобретения.
Других известных технических решений аналогичного назначения с подобными существенными признаками заявителем не обнаружено.
Отличительной особенностью технологического процесса восстановления плунжеров насосов высокого давления бурового оборудования нефтяной промышленности, изготовленных из стали 40ХН2МА, является обязательное проведение термической обработки заготовок по схеме «закалка+высокий отпуск» для получения высоких значений механических свойств с твердостью материала основы HRC 34-37. Для этого предложено использовать при нанесении на плунжер износостойкого покрытия механическую смесь, состоящую из мультикомпонентного самофлюсующегося порошкового сплава с твердостью HRC 40-42 и порошкового карбида вольфрама WC в количестве 38-43% от мультикомпонентного самофлюсующегося порошкового сплава. С одной стороны, применение самофлюсующегося материала с твердостью HRC 40-42 исключит возникновение трещин в оплавленном покрытии после проведения термической обработки «закалка+отпуск» для получения высоких механических свойств плунжера, а с другой стороны, введение в такой материал порошкового карбида вольфрама WC, обладающего высокой твердостью и износостойкостью, обеспечит получение покрытия, отвечающего требованиям длительной эксплуатации плунжера в агрессивной среде и экстремальных условиях коррозионно-механического изнашивания (абразив, присутствие сероводорода).
Покрытие из механической смеси самофлюсующегося порошкового сплава и карбида вольфрама наносили методом газопламенного напыления с последующим оплавлением на наружную поверхность заготовок плунжеров, изготовленных из стали марки 40ХН2МА, имеющей в исходном состоянии твердость 198-202 НВ. Диаметр рабочей поверхности плунжера составлял 110 мм, длина рабочей части плунжера - 700 мм, толщина стенки - 25 мм.
Предложенный способ восстановления изношенных поверхностей стальных деталей, работающих в условиях агрессивной среды, осуществляют следующим образом.
Подготовка поверхности под напыление состояла из обезжиривания и струйно-абразивной обработки. Предварительный подогрев плунжеров перед напылением производили многофакельными пропано-кислородными горелками до температуры 100-120°C, которая контролировалась инфракрасным бесконтактным пирометром.
Для нанесения покрытия использовалась установка МРК-10 порошкового напыления. Режимы нанесения покрытия: скорость вращения - 80 об/мин; скорость перемещения горелки - 240 мм/мин; толщина покрытия после напыления составляла 1,4-1,5 мм.
Предельные значения компонентов самофлюсующегося порошкового сплава и порошкового карбида вольфрама было установлены в результате сравнительных испытаний.
Уменьшение содержания компонентов самофлюсующегося порошкового сплава ниже минимального значения приводит к снижению твердости и соответственно износостойкости, что недопустимо. Увеличение содержания компонентов самофлюсующегося порошкового сплава выше максимального значения ведет к образованию растрескивания покрытия в процессе термообработки (закалки и отпуска), что также не допустимо.
Содержание кремния менее заявленного низшего значения приводит к ухудшению процесса раскисления, соответственно, при увеличении содержания кремния выше верхнего значения наблюдается повышенная жидкотекучесть и охрупчивание наносимого покрытия.
Содержание железа менее заявленного низшего значения приводит к повышенному содержанию никеля в покрытии, что удорожает стоимость восстановления, соответственно, при увеличении содержания железа выше верхнего предельного параметра резко повышается температура плавления и стоимость ремонта.
Указанное содержание углерода является оптимальным для образования карбидных зерен хрома: при снижении содержания углерода менее заявленного нижнего предела образуется свободный хром, что нежелательно, соответственно, при увеличении содержания углерода выше верхнего заявленного значения имеет место охрупчивание поверхности покрытия.
Никель является компонентом, образующим матрицу сплава, оптимальное значение его обеспечивает необходимую и оптимальную температуру плавления (1150°-1180°C).
Бор выполняет функцию оптимального регулятора и стабилизатора технологического процесса: при содержании бора ниже нижней границы заявленного значения ухудшается технологический процесс, соответственно, содержание бора выше верхнего значения является экономически неоправданным и повышает стоимость восстановления деталей.
Хром также является регулятором и направлен на повышение износостойкости и прочности наносимого покрытия при восстановлении деталей: при содержании хрома ниже нижней границы заявленного значения резко увеличивается время нанесения покрытия с необходимыми технологическими свойствами, и, соответственно, при содержании хрома выше верхнего значения ухудшаются технологические и эксплуатационные свойства восстановленной детали, что также является экономически неоправданным и повышает стоимость восстановления деталей (высокое сопротивление к абразивному изнашиванию, антифрикционные свойства в широком интервале температур, усталостная прочность восстановленной детали и т.д.).
Заявленное содержание карбида вольфрама WC определяет производительность технологического процесса: содержание карбида вольфрама менее заявленного параметра ухудшает эксплуатационные свойства технологического процесса, соответственно, содержание карбида вольфрама выше верхнего заявленного значения резко повышает температуру нанесения покрытия с необходимыми технологическими свойствами, что трудно выполнимо и дорого.
Оплавление покрытия производилось двумя многофакельными пропано-кислородными горелками ГМС-3,5П на вращателе СУН-01 в автоматическом режиме. Температура покрытия, при которой происходило его оплавление, составляла 1150-1180°C.
После остывания плунжеров до 500°C их помещали в термоконтейнеры для исключения возникновения трещин в покрытии и в материале основы. После полного остывания плунжеров производили их визуальный осмотр на предмет отсутствия неоплавленных участков, трещин, сколов, пор. Никаких дефектов обнаружено не было.
Термическая обработка заготовок плунжеров с оплавленным покрытием выполнялась по следующим режимам: закалка с 830-860°C на индустриальное масло; отпуск с 650-720°C до температуры естественного остывания.
После проведения термической обработки твердость основы заготовки плунжера из стали 40ХН2МА составила 34-36 HRC и механические свойства соответствуют требованиям ГОСТ 4543-71 и требованиям технической документации на изготовление плунжеров.
Трещин в покрытии после проведения термической обработки обнаружено не было. После проведения механической обработки (шлифование+полирование) плунжера переданы в эксплуатацию.
Предлагаемый способ позволяет существенно повысить износостойкость восстановленного плунжера, а также увеличить уровень эксплуатационных характеристик и получить твердость наружной поверхности до HRC 34-37.
Таким образом, изобретение обеспечивает повышение усталостной прочности изношенных поверхностей стальных деталей и срок службы восстановленных деталей.
Использование изобретение обеспечивает повышение качества восстановления изношенных поверхностей стальных деталей за счет газопламенного напыления на основе износостойких самофлюсующихся порошковых сплавов с упрочнением наплавленной поверхности, а также повышение усталостной прочности изношенных поверхностей стальных деталей.