СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ СТАЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
METHOD FOR HARDENING STEEL SURFACE

Изобретение относится к области упрочнения стали путем нагрева электрической дугой обратной полярности с использованием угольного электрода и может быть использовано в различных отраслях - металлургии, сельском хозяйстве, оборонной промышленности, машиностроении и др.
Известен вибродуговой способ упрочнения поверхности стальных изделий (см. патент на изобретение РФ №2563572, МПК С23С 8/22, опубл. 20.09.2015). Способ включает цементацию поверхностного слоя стального изделия с использованием плазмы дугового разряда обратной полярности между электродом из углеродсодержащего материала и упрочняемой поверхностью стального изделия с перемещением электрода вдоль упрочняемой поверхности. Цементацию поверхностного слоя ведут пульсирующей дугой, для чего электроду из углеродсодержащего материала сообщают колебательные движения с частотой колебаний 5-20 Гц, при этом на каждом колебании электрод из углеродсодержащего материала вводят в контакт с упрочняемой поверхностью с продолжительностью контакта 0,02-0,05 с. Предлагаемый способ упрочнения обеспечивает глубину упрочнения слоя 1-3 мм и твердость HRC 55-60.
Однако он не позволяет получить высокую температуру в связи с последовательно повторяющимися моментами нагрева и остывания упрочняемой поверхности.
Наиболее близким к предлагаемому решению является способ упрочнения стальной поверхности по патенту на изобретение РФ № 2699599, МПК С23С26/00, опубл. 06.09.2019. Способ включает нагрев поверхности электрической дугой обратной полярности с использованием первого угольного электрода, перемещение первого угольного электрода вдоль упрочняемой поверхности и внесение керамических и/или легирующих добавок. При этом дополнительно к перемещению первого угольного электрода вдоль упрочняемой поверхности его перемещают в направлении упрочняемой поверхности со скоростью, равной скорости его износа, обеспечивая постоянный дуговой зазор. Упрочняемую поверхность впереди движущегося первого угольного электрода подогревают при помощи второй электрической дуги прямой полярности с использованием второго угольного электрода до температуры, не менее 800°C, а керамические и/или легирующие компоненты вносят в образующуюся позади первого угольного электрода ванну расплавленного металла в виде смеси порошков.
Недостатком заявляемого способа является его сложность, так как для реализации требуется второй электродов и внесение керамической добавки в процессе упрочнения, которое также требует дополнительного оборудования, а именно дополнительного источника питания, крепления и автоматического регулировки напряжения дуги на подогревающем электроде.
Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании на упрочняемой поверхности необходимого химического состава за счет протекания высокотемпературной перекристаллизации, рафинирующих, легирующие-модифицирующих процессов в условиях, защищенных от окружающей среды.
Технический результат заключается в повышение износостойкости стальной поверхности за счет получения стальной поверхности с высокими физико-механическими свойствами при упрощении конструкции оборудования для реализации предлагаемого способа.
2
Технический результат достигается тем, что в способе упрочнения стальной поверхности, включающем нагрев поверхности электрической дугой обратной полярности горящей с угольного электрода, перемещение электрода вдоль поверхности с одновременным перемещением в направлении поверхности со скоростью, равной скорости его износа, согласно решению, на упрочняемой поверхности до ее нагрева формируют пленку оксида церия (CeO).
Изобретение поясняется чертежами, на фиг. 1 приведена блок схема установки для реализации способа, на фиг. 2 - приведен снимок полученной структуры где:
1 - упрочняемая поверхность;
2 - угольный электрод;
3 - электропривод постоянного тока 24 В;
4 - электропривод переменного тока 220 В;
5 - регулируемый преобразователь частоты 220 В;
6 - источник питания электрической дуги;
7 - блок автоматической регулировки напряжения дуги;
8 - зерна игольчатого цементита;
9 - зерна перлита.
Способ упрочнения стальной поверхности осуществляется следующим образом.
2
2
На упрочняемой поверхности 1, например, стали марки Ст. 3, формируют пленку оксида церия (CeO). Оксид церия имеет высокую адгезию, вследствие чего его достаточно просто нанести на поверхность тонким слоем с последующим удалением излишков. Однако при этом трудно контролировать равномерность распределения. Предпочтительнее наносить пленку в виде суспензии. Для этого порошок оксида церия смешивают со спиртом до консистенции, которую можно без проблем распылить пульверизатором или обмакнуть деталь в ванночку с суспензией. Экспериментальным путем было установлена оптимальная пропорция оксид церия (CeO) к спирту 1 к 2.
Способ реализуется с помощью установки (фиг. 1), содержащей электропривод постоянного тока 24 В 3 для перемещения угольного электрода 2 над упрочняемой стальной поверхностью 1, перемещение которой в свою очередь контролируется электроприводом переменного тока 220 В 4. Электропривод 4 соединен с регулируемым преобразователем частоты 220 В 5, контролирующим скорость перемещения упрочняемой поверхности 3, обеспечивая постоянный дуговой зазор. Установка содержит источник питания электрической дуги 6 и блок автоматической регулировки напряжения дуги 7.
Поверхность 1 с нанесенной пленкой нагревают электрической дугой обратной полярности, горящей с угольного электрода 2. Перемещают электрод 2 вдоль упрочняемой поверхности 1 с одновременным перемещением в направлении упрочняемой поверхности со скоростью, равной скорости его износа, обеспечивая постоянный дуговой зазор.
2.
2
Способ был реализован с помощью представленной установки. Для упрочнения выбрана сталь марки Ст. 3 со сформированной на ее поверхности пленкой CeO В результате нагрева стальной поверхности электрической дугой обратной полярности и перекристаллизации стали с использованием на поверхности пленки CeO образовалась твердая, плотная износостойкая структура с твердостью 67-74 HRC. В полученной структуре наблюдалось неравномерное распределение твердости, а именно приповерхностный слой имел твердость 72 - 74 HRC. На снимке (фиг. 2) на точках 8 видны зерна игольчатого цементита. На снимке также видны зерна перлита 9. Выше указанных точек отчетливо видно область с более плотно упакованными и широкими зернами игольчатого цементита. Они имели твердость 67-70 HRC. Также сохранилась переходная зона на не упрочненном металле на ферритную часть с твердостью не более 15 HRC. Такая многослойная монолитная структура обеспечивает отличную износостойкость, прочность и улучшение эффекта самозатачивания при высоком абразивном износе. При этом температура горения электрической дуги на упрочняемой поверхности может достигать температуры свыше 3500°С. Так как при нагреве поверхности происходит процесс кипения стали и оксида церия, температура кипения которого свыше 3500°С.
Срок службы деталей из получаемой структуры в 2-3 раз выше известных высокотемпературных сталей за счет структурных превращений.
Предлагаемый способ позволяет повысить температуру нагрева металла, вследствие чего отпадает необходимость в подогревающем электроде, который был использован в прототипе. Кроме того, не требуется внесение керамической добавки в процессе упрочнения, которое также требует дополнительного оборудования, что также приводит к упрощению установки для реализации способа.