СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ, РАБОТАЮЩИХ В УСЛОВИЯХ АБРАЗИВНОГО ИЗНАШИВАНИЯ
SURFACE-HARDENING OF PARTS OPERATED AT ABRASIVE WEAR

Изобретение относится к технологиям, обеспечивающим повышение износостойкости деталей за счет изменения состава и структуры их поверхностных слоев, и может быть использовано для упрочнения рабочих органов почвообрабатывающих, строительных, добывающих и других машин, работающих в условиях интенсивного абразивного изнашивания при значительных динамических нагрузках.
Известен способ упрочнения лемехов плугов из среднеуглеродистых и высокоуглеродистых сталей. Он включает наплавку на лемех малоуглеродистого электродного материала параллельными друг другу валиками, при этом каждый последующий валик наносят со скоростью, обеспечивающей образование закалочной структуры, после остывания предыдущего валика [Патент РФ 2274526, В23К 9/04, В23Р 6/00, опубл. в БИ №11, 2006].
Недостатком данного способа является сильное термическое воздействие при наплавке, что приводит к короблению упрочняемых лемехов. Кроме этого, наплавленные валики увеличивают тяговое сопротивление плуга при его работе.
Известен способ упрочнения поверхности стальных изделий, включающий нагрев поверхности электрической короткой дугой обратной полярности до температуры плавления и последующее охлаждение до температур фазовых превращений, при которых осуществляют пластическую деформацию поверхности охлаждаемым инструментом. Для увеличения твердости изделие подвергают обработке холодом [Патент РФ 2025509, C23C 8/22, опубл. в БИ №24, 1994].
Недостатком данного способа является то, что пластическая деформация, производимая после плавления и остывания до температур фазовых превращений, нарушает геометрию упрочняемой поверхности, что приводит к нарушению условий работы упрочненной детали. Кроме этого обработка холодом требует наличия дорогостоящих холодильных агрегатов.
Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности и достигаемому результату является способ наплавки износостойких покрытий, в котором в качестве наплавляемого материала используют износостойкий материал большей плотности, чем основной металл детали, а проплавление детали осуществляют по линиям армирования на всю глубину с созданием сжимающих напряжений при охлаждении [Патент РФ 2184639, B23K 9/04, опубл. в БИ №19, 2002 - прототип].
Однако при использовании данного способа не обеспечивается высокая ударная вязкость деталей, работающих при значительных статических и динамических нагрузках в условиях интенсивного абразивного изнашивания, что приводит к снижению их износостойкости. Кроме этого проплавление детали на всю глубину приводит к дополнительному расходу электроэнергии и выгоранию легирующих элементов.
Задачей изобретения является повышение долговечности упрочненных деталей.
Техническим результатом изобретения является повышение ударной вязкости и износостойкости упрочненных деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания.
Поставленная задача и указанный технический результат достигаются за счет того, что в известном способе нанесения износостойких покрытий, включающем наплавку износостойкого материала на поверхность деталей, согласно изобретению, в качестве наплавляемого износостойкого материала используют металлокерамический композит, содержащий консолидированные сплавы карбидов, боридов, нитридов и армирующие керамические сверхтвердые включения из карбида бора, корунда и карбокорунда, который наносят на деталь с одновременным легированием упрочняемой поверхности бором, азотом и углеродом вибродуговой наплавкой с использованием графитового электрода, при этом после наплавки производят нагрев детали в печи до температуры 750…770°C с выдержкой 1,5…2 мин, последующей ее закалкой и низким отпуском с нагревом до 150…160°C с выдержкой детали в течение 8…10 мин.
Способ осуществляют следующим образом.
Вначале готовится металлокерамический композит. Он состоит из стального матричного порошка, в который добавляют карбид бора, буру, оксиды алюминия и кремния, криолит и алюминиевый порошок. Компоненты композита смешивают механическим способом, затем к ним добавляют связующее (оксиэтилцеллюлозу или гидролизованный этил силикат), после чего еще раз тщательно перемешивают до состояния пасты.
Затем полученный металлокерамический композит в виде пасты наносят на стальные пластины толщиной 0,2…0,3 мм, вырезаемые по размерам упрочняемой поверхности. Паста наносится с двух сторон пластины, ее толщина составляет 2,0…2,3 мм, после нанесения паста высушивается до затвердевания. При температуре 70…80°C время затвердевания не превышает 12…15 мин. Стальная основа пластины дополняет матрицу металлокерамического композита.
4
2
3
2
После высыхания пасты металлокерамические пластины закрепляют на упрочняемой поверхности с помощью клея. Затем осуществляют вибродуговую наплавку пластин. Для этого используют установку, содержащую инверторный источник тока на 200…250 А, пульт управления и вибратор с закрепленным в нем графитовым электродом диаметром 6…10 мм. Между графитовым электродом и металлокерамической пластиной зажигают электрическую дугу прямого действия обратной полярности, в результате чего на упрочняемой поверхности из компонентов пасты образуется металлокерамический слой. Он содержит консолидированные сплавы карбидов, боридов, нитридов и армирующие керамические сверхтвердые включения из карбида бора (ВС), корунда (АlО) и карбокорунда (SiO). Режимы вибродуговой наплавки: сила тока - 70…80 А, напряжение -60…65 В, частота вибрации графитового электрода - 20…100 Гц. Вибрация графитового электрода позволяет получить более плотный и прочный металлокерамический слой. Толщина полученного металлокерамического слоя составляет 1,2…1,5 мм, глубина термодиффузионного упрочнения - 1,3…1,4 мм, твердость - 1400…1500 НУ. Одновременно с вибродуговой наплавкой при горении электрической дуги происходит легирование упрочняемой поверхности бором и азотом вследствие диссоциации боронитросодержащих компонентов металлокерамического композита, а также углеродом за счет его диффузии вследствие сублимации графитового электрода.
Для получения карбидов железа из углерода, который насыщает упрочняемую поверхность при термодиффузии, а также для повышения ударной вязкости, производят нагрев детали в печи до температуры 750…770°С, при этом время выдержки составляет 1,5…2 мин, с последующей ее закалкой в 10% водном растворе NaOH. После этого производят низкий отпуск, нагревая деталь до 150…160°С и выдерживая ее в течение 8…10 мин. В результате снимаются внутренние термические напряжения.
Результаты проведенных испытаний представлены в таблице.
Таблица
Показатели
Прототип
Предлагаемый способ
1. Ударная вязкость упрочненной детали, %
100
200
2. Износостойкость упрочненной детали, %
100
300
3. Долговечность упрочненной детали, %
100
250
Проведенные испытания показали, что упрочненные по предлагаемой технологии детали имеют в 3 раза большую износостойкость в условиях абразивного изнашивания и в 2 раза большую ударную вязкость. В результате долговечность упрочненных деталей увеличивается в среднем в 2,5 раза.