СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ СТАЛЬНОГО ИЗДЕЛИЯ С ПОВЕРХНОСТНЫМИ ТРЕЩИНАМИ
METHOD FOR RESTORATION OF STEEL ITEM WITH SURFACE CRACKS

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для восстановления ресурса работы изделий из электропроводных материалов, в частности применено при ремонте деталей, имеющих на поверхности микротрещины различного происхождения, а также при ремонте изделий, работающих при циклическом виде нагружения.
Известен способ залечивания трещин в монокристаллических образцах (патент РФ №1805706, С30В 33/00, 29/20, опубл. 27.11.1995). В способе залечивания трещин в монокристаллических корундовых изделиях, включающем нагрев изделия и приложение сжимающего усилия, согласно изобретению предлагается деформационные усилия для осуществления пластического течения в зоне трещины создавать путем перемещения со скоростью 10-80 мм/ч двух проволочных нагревателей, нагретых до температуры 2050-2100°С и установленных на расстоянии (1,2-2,0)Д с обеих сторон трещины, где Д - диаметр проволочного нагревателя.
Недостатком данного способа является использование дополнительных приспособлений, в частности вольфрамовой проволоки, и ваккуумирование изделия вместе с вольфрамовой проволокой.
·ρ·
9
3
T
рекр
т
ректр
Известен способ восстановления ресурса деталей (патент РФ №1378213, В23Р 6/00, опубл. 10.07.1996 г.), преимущественно работающих в условиях циклического нагружения, включающий разогрев дефектных мест воздействием импульсного электрического тока и охлаждения, при этом сначала производят циклическое нагружение деталей числом циклов, равным 0,75-0,85 от предельного числа циклов, затем производят воздействие импульсным электрическим током с удельной энергией, определяемой по формуле q=(0,9-0,95)C·Т·10 Дж/м, где ρ - плотность материала; С - удельная теплоемкость материала; Т - температура рекристаллизации материала, после чего производят охлаждение обработанных зон в воде.
Недостатком предлагаемого способа является усложнение обработки за счет необходимости производить циклическое нагружение изделия в процессе обработки и последующего пропускания импульсного электрического тока.
Наиболее близким по техническому существу к предлагаемому является способ восстановления деталей с поверхностными трещинами (патент РФ №2056253, В23Р 6/04, опубл. 20.03.1996), включающий оплавление трещины источником с высокой плотностью энергии, например лазерно-дуговым, при этом перед оплавлением трещины осуществляют подогрев детали до температуры формирования в окрестности вершины трещины поля напряжений с коэффициентом интенсивности, меньшим критической величины вязкости разрушения.
Недостатком данного способа являются низкие надежность и ресурс, так как при оплавлении трещины лазерно-дуговым источником образуется жидкая фаза, которая при охлаждении сопровождается образованием микротрещин в твердеющем участке. Кроме того, данный способ имеет ограниченное применение, так как позволяет устранять трещины только в деталях простой формы.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа восстановления стального изделия с поверхностными трещинами глубиной не более 500 мкм путем обработки дефектных мест поверхности изделия токами высокой частоты. В результате усталостная стойкость обработанного материала изделия возрастает на 20-30%. При реализации предлагаемого изобретения будет устранены (затуплены) трещины и повышен ресурс работы стального изделия.
Указанный технический результат достигается тем, что способ восстановления стального изделия с поверхностными трещинами глубиной не более 500 мкм включает нагрев дефектных мест на поверхности стального изделия, при этом нагрев осуществляют индукционной обработкой токами высокой частоты с частотой 0.44-1 МГц до температуры 850-880°С с обеспечением высокой скорости диффузии с частичным оплавлением вершины трещины.
Нагрев осуществляют со скоростью 100-150°С/сек.
Индукционную обработку поверхности стального изделия осуществляют предпочтительно 15-30 сек.
После индукционной обработки дефектных мест поверхность стального изделия подвергают закалке.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.
В способе восстановления стальных изделий с поверхностными трещинами глубиной не более 500 мкм, заключающемся в проведении индукционной термической обработки поверхности изделия токами высокой частоты с частотой 0.44-1 МГц, предлагается поверхность обрабатывать с удельной энергией по формуле: P=∫cρΔTdx, где
с - удельная теплоемкость; ρ - плотность материала; ΔТ - температура.
Для устранения (залечивания) поверхностных трещин авторы изобретения предлагают поверхность изделия обрабатывать токами высокой частоты при указанных выше технологических параметрах.
При этом образец, имеющий поверхностные трещины, помещают в индуктор и производят разогрев и охлаждение в любой среде, например на воздухе, в масле или в воде в зависимости от марки стали, из которой изготовлено изделие. Данный метод обработки позволяет обрабатывать изделия различной формы и длины. Дополнительный эффект повышения ресурса работы стального изделия, по предложенному способу, достигается дополнительной термической обработкой - закалкой.
При этом нагрев поверхности изделия осуществляют до температуры 850-880°С, позволяющей обеспечить высокую скорость диффузии, а в вершине трещины возможно и частичное оплавление.
Особенность предлагаемого способа заключается в том, что в изделии при обработке в индукторе возникают индукционные токи в переменном магнитном поле. На дефекте (трещине) электрическое сопротивление будет значительно выше, чем в сплошном металле, поэтому в этом месте будет выделяться большее количество энергии, что приводит к локальному разогреву отдельного участка. Это приводит к интенсификации диффузионных процессов и залечиванию трещин (чертеж). При этом скорость повышения температуры в области трещины должна быть максимальна в пределах 100-150°С/сек и не должна вызывать нагрева нижележащих слоев основного металла. Повышенные температуры обеспечивают достаточную диффузионную подвижность атомов, что приводит к срастанию берегов трещины. При этом трещина затупляется, и напряжения на данном концентраторе снижаются.
Нагрев токами высокой частоты осуществляется с частотой не ниже 0.44 МГц и не выше 1 МГц. При использовании частоты меньшей, чем 0.44 МГц происходит объемный нагрев детали, т.к. токи высокой частоты с низкой частотой проникают на большую глубину, что увеличивает время нагрева и глубину обрабатываемого слоя. В результате деталь успевает прогреться на глубину, значительно превышающую размеры трещины, а иногда происходит сквозной прогрев детали, что нежелательно.
При использовании частоты, большей, чем 1 МГц, нагрев осуществляется в очень тонком поверхностном слое, который значительно меньше размеров трещины, поэтому частоту больше 1 МГц использовать нецелесообразно.
Общее время обработки поверхности изделий, содержащих дефекты - трещины, предпочтительно составляет 15-30 сек.
Пример №1
Деталь с поверхностными трещинами со средним размером 500 мкм помещают в индуктор. Нагрев производят на воздухе токами высокой частоты порядка 0.44 МГц. При этом на индуктор подается максимальная мощность, что обеспечивает высокую скорость нагрева поверхностных слоев материала, содержащего усталостные трещины. Далее мощность снижается для поддержания температуры на уровне 850°С. Общее время обработки составляет - 30 сек.
Пример №2
Деталь с поверхностными трещинами со средним размером 150 мкм помещают в индуктор. Нагрев производят на воздухе токами высокой частоты порядка 1 МГц. При этом на индуктор подается максимальная мощность, что обеспечивает высокую скорость нагрева поверхностных слоев материала, содержащего усталостные трещины. Далее мощность снижается для поддержания температуры на уровне 880°С. Общее время обработки составляет - 15 сек.
Данная обработка поверхности стальных изделий, содержащих поверхностные усталостные и термические трещины, позволяет полностью устранить (залечить) их. В результате ресурс работы обработанного изделия возрастает на 20-30%. Также данный способ позволяет обрабатывать изделия сложной конфигурации, а также длинномерные изделия, например рельс.