СПОСОБ ЛЕГИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ
METHOD OF ALLOYING METAL SURFACES

Изобретение относится к литейному производству, а именно к способам литья по газифицируемым моделям.
Из уровня техники известно, что для получения стали с заданными свойствами добавляют ферросплавы в индукционную печь при выплавке стали (авторское свидетельство SU 1364644 А1, опубликовано 07.01.88, Бюл.№1).
Из уровня техники известен способ модифицирования стали (авторское свидетельство SU 1470777 А1, опубликовано 07.04.89, Бюл.№13) путем введения в расплав модификаторов при сливе в ковш.
В известных способах производится модифицирование и легирование всего объема отливки и они не позволяют получить заданные специальные свойства требуемых участков поверхности отливок.
Из уровня техники известно, что для легирования отливок в полости формы используются газифицируемые модели (авторское свидетельство №697244, опубликовано 15.11.79, Бюл.№42). Для этого изготавливают модели из полистирола путем вспенивания его гранул в пресс-форме, а затем производится окрашивание газифицируемых моделей газопроницаемым антипригарным покрытием, в состав которого наряду с огнеупорным наполнителем вводят легирующий элемент.
При этом распределение легирующих элементов в покрытии происходит неравномерно, их диффузия в поверхность отливки затруднена, расход легирующего элемента производится не рационально. В результате этого также не удается получить заданные специальные свойства требуемых участков поверхности отливок.
Из уровня техники известен способ модифицирования поверхности металлических изделий (RU 2391177 С2, МПК В22С 3/00 (2006.01)), включающий нанесение на поверхность модели модифицирующих и легирующих поверхность изделия элементов в виде пасты или пудры с последующим нанесением на поверхность модели противопригарного покрытия. Глубину модифицированного слоя в изделии можно регулировать изменением размера частиц модификатора.
Данный способ, в отличие от известных аналогов, позволяет нанести модифицирующие и легирующие элементы на конкретный участок модели, которому требуется задать специальные свойства, что позволяет рационально использовать модифицирующие и легирующие элементы, а также позволяет регулировать глубину модифицированного слоя.
Недостатком известного способа является нанесение модифицирующих и легирующих элементов непосредственно на поверхность модели. Для равномерного нанесения модифицирующих и легирующих элементов на заданный участок поверхности модели целесообразно использовать машинный способ. В этом случае рентабельность производства будет сильно зависеть от сложности рельефа поверхности модели, доступности отдельных участков модели для машинного нанесения модифицирующих и легирующих элементов. Так, например, для равномерного нанесения модифицирующих и легирующих элементов известным способом на участки, расположенные на внутренней поверхности оружейного ствола малого калибра, потребуется сложное оборудование. При этом проконтролировать равномерность нанесения модифицирующих и легирующих элементов будет сложно.
Все это снижает универсальность известного способа.
Предлагаемый способ является более универсальным по отношению к прототипу.
Повышение универсальности способа выражается в том, что он позволяет нанести точное количество модифицирующих и легирующих элементов на заданный участок модели, независимо от сложности рельефа поверхности модели.
Для выполнения этой задачи способ легирования поверхности металлических изделий включает в себя нанесение модифицирующих и легирующих поверхность изделия элементов или их соединений на подложку (под подложкой имеется в виду материал, заготовка или вещество, на которое наносится покрытие), прикрепление подложки к поверхности модели, нанесение на поверхность модели противопригарного покрытия. При этом в зависимости от конкретной ситуации подложка может быть выполнена из материала, обладающего инертностью по отношению к железоуглеродистым сплавам, либо легирующие поверхность изделия элементы могут быть введены в состав подложки.
Для достижения требуемого эффекта легирующие элементы могут быть нанесены на подложку слоями, имеющими различный состав. Предлагаемый способ позволяет так же последовательно прикрепить к одному участку поверхности модели несколько подложек с различными слоями легирующих элементов для получения заданного химического состава по толщине слоя отливки.
Способ осуществляется следующим образом.
На подложку наносят комплексные покрытия в виде краски, пасты или порошка, содержащие легирующие элементы или их соединения, способные к физико-химическому взаимодействию с металлическими расплавами или с отдельными компонентами расплавов, с образованием новых фаз, придающих специальные свойства выбранным участкам поверхности отливки за счет массопереноса и диффузионных процессов. При этом для лучшей адгезии к поверхности подложки комплексные покрытия целесообразно наносить с добавками клеящих веществ. Далее подложка подвергается сушке с последующим осуществлением контроля толщины нанесенного слоя (например, взвешиванием подложки заданной площади). В зависимости от формы и размера участка отливки, которому необходимо придать специальные свойства, производится раскрой подложки. Подложка прикрепляется к модели из пенополистирола с использованием клеевых составов, не приводящих к деструкции материала модели (ПВА, КМЦ и т.п.). Модель окрашивается газопроницаемой противопригарной краской, после высыхания которой помещается в контейнер (опоку) и засыпается опорным материалом. Объем модели заполняется металлическим расплавом.
Подложка в зависимости от желаемого результата может быть выполнена из инертного материала, который выгорает при заливке моделей металлическим расплавом (например, на бумажной основе), либо из материала, вступающего в физико-химическое взаимодействие с металлическими расплавами или с отдельными компонентами расплавов. Во втором случае легирующие элементы или их соединения могут быть введены в состав подложки. Например, подложка может быть выполнена в виде металлической фольги. При этом на нее также могут наноситься дополнительно другие легирующие элементы, в том числе способные к физико-химическому взаимодействию как с подложкой, так и с металлическими расплавами.
Примеры конкретного исполнения.
50
50
Пример 1. На бумажную подложку нанесли слой пасты, состоящей из карбида бора фракцией 0,1 мм с добавкой клея для лучшей адгезии к подложке. Затем подложку наклеили на поверхность модели из пенополистирола. Далее к модели приклеивали литниковую систему и окрашивали антипригарным газопроницаемым покрытием с последующей сушкой. Полученный модельный блок поместили в опоку, засыпали несвязанным формовочным материалом (песком) и залили расплавом стали 45. Поверхностный легированный слой полученной отливки имел повышенную твердость по сравнению с объемом отливки за счет наличия в нем борида и карбида железа. Твердость легированного поверхностного слоя составила Н 897÷714 (67÷61 HRC), а основного металла Н 442÷483 (45÷48 HRC). В данном случае подложка выполнена из инертного по отношению к расплаву материала. При заливке модели под действием термической энергии заливаемого расплава бумажная подложка выгорает и происходит контакт расплава с карбидом бора, при взаимодействии с которым и происходит легирование поверхности. Глубина легированного слоя составила 1,1÷1,3 мм.
Пример 2. В качестве подложки взяли пластину из нержавеющей стали 12Х18Н10Т толщиной 0,2 мм, которую приклеили к поверхности модели из пенополистирола. Далее к модели приклеивали литниковую систему и окрашивали антипригарным газопроницаемым покрытием с последующей сушкой. Полученный модельный блок поместили в опоку, засыпали несвязанным формовочным материалом (песком) и залили расплавом стали 10. Легированная поверхность полученной отливки имела химический состав материала подложки и отличалась по составу от основного металла. При заливке модели под действием термической энергии заливаемого расплава стальная подложка растворяется в поверхностном слое и происходит легирование поверхности. Глубина легированного слоя составила 0,2 мм.
Пример 3. То же, что и в примере 2, только вместо пластины из нержавеющей стали в качестве подложки взяли молибден-рениевую фольгу толщиной 0,02 мм. Легированная поверхность полученной отливки дополнительно содержала молибден и рений (произошло взаимодействие и растворение подложки с расплавом при заливке), что повысило твердость легированного слоя отливки и ее жаростойкость.
23
6
50
Пример 4. На подложку из нержавеющей стали нанесли слой пасты, состоящей из порошка хрома фракцией 3 мкм с добавкой клея для лучшей адгезии. Затем приклеили подложку к модели из пенополистирола три стороной, на которую нанесена паста, содержащая хром. Поверхностный легированный слой полученной отливки из стали 45 обогащен хромом и элементами из нержавеющей пластины. Кроме того, легированный слой обладает высокой твердостью по сравнению с основным металлом за счет наличия в нем карбида хрома типа СrС (твердость карбидной составляющей легированного слоя составила Н 754÷677 (63÷59 HRC), а твердость основного металла HV5 447÷466 (45÷46,5 HRC)). Карбид хрома образуется при взаимодействии хрома и углерода заливаемого расплава - стали 45.
Пример 5. На поверхность модели из пенополистирола приклеили две бумажные подложки одна поверх другой, причем на первую подложку нанесли слой пасты состоящей из порошка хрома фракцией 3 мкм, а на другую - слой пасты из сажи. Далее к модели приклеивали литниковую систему и окрашивали антипригарным газопроницаемым покрытием с последующей сушкой. Полученный модельный блок поместили в опоку, засыпали несвязанным формовочным материалом (песком) и залили расплавом стали 10. Поверхностный легированный слой полученной отливки имел повышенную твердость по сравнению с объемом отливки за счет наличия в нем карбида хрома, который образовался при взаимодействии расплава с легирующими элементами с подложек (с хромом и сажей). Кроме того, поверхностный слой дополнительно обогатился хромом (11%) и углеродом (1,5%).