СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРУПНОГАБАРИТНЫХ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ НАПЛАВКОЙ Российский патент 1996 года по МПК B22F7/04 B22D19/08 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к изготовлению крупногабаритных биметаллических деталей, например пар трения скольжения.

При изготовлении крупногабаритных биметаллических изделий основная проблема состоит в получении надежного диффузионного соединения основы изделия и наплавленного слоя, а также в повышении качества наплавленного металла.

Важную роль в решении этой задачи играют условия протекания процесса кристаллизации в наплавляемом металле. При изготовлении биметаллических изделий наиболее благоприятным является тот случай, когда процесс первичной кристаллизации начинается на поверхностях наплавляемого изделия и фронт кристаллизации движется в направлении от поверхности изделия к прибыльной части и внешней поверхности наплавляемого слоя. При этом гарантируется наличие диффузионного прочного соединения наплавленного металла со стальной поверхностью изделия, получение вблизи нее наиболее добротного металла, а также выделение ликвационных и усадочных дефектов в зону прибыльной части и на периферию, которая составляет припуск на обработку и удаляется.

Известны приемы управления процессом кристаллизации (охлаждение в жидкости, обдув воздухом, применение теплоизоляции и др.) применительно к получению биметаллических изделий являются технически сложными, дорогими или неэффективными.

Известен, например, способ получения биметаллических изделий [1] при котором наплавляемую деталь помещают в форму, расплавляют в ней наплавляемый металл при 1080-11006^оС, после чего форму с расплавом охлаждают со стороны данной части.

В этом случае кристаллизация начинается с поверхности формы и фронт ее движется в направлении к наплавляемой поверхности изделия. В результате ликвационные примеси оттесняются к поверхности изделия. Здесь же кристаллизация заканчивается и сосредотачиваются усадочные дефекты. При дальнейшей обработке первоначально закристаллизовавшийся добротный легкоплавкий сплав удаляется как припуск в стружку. На изделии в рабочем слое сохраняются все ликвационные и усадочные дефекты, причем по наиболее чувствительной границе поверхности соединения.

Наиболее близким к предлагаемому является способ изготовления массивных биметаллических изделий [2] при котором наплавляемую деталь помещают в форму с зазором, заполняемым жидким присадочным сплавом. Затем изделие, форму и присадочный материал нагревают в печи и герметизируют в диапазоне температур кристаллизации (солидус-ликвидус) легкоплавкого сплава, после чего охлаждают в печи.

Недостатком данного способа является то, что из-за малых скоростей отвода тепла с поверхности изделия в атмосферу печи (также нагретую) практически невозможно регулировать направление движения фронта кристаллизации. Механизм воздействия на фронт кристаллизации довольно тонкий и осуществляется в малом диапазоне параметров и легко поддается искажению. При данном способе нет гарантии того, что первичная кристаллизация начнется на поверхности наплавляемой детали, поэтому данный способ не обеспечивает достаточно высокого качества соединения покрытия со стальной основой.

Целью изобретения является увеличение ресурса работы биметаллического изделия за счет повышения прочности соединения покрытия со стальной основой, а также улучшения качества наплавленного металла путем провоцирования начала кристаллизации легкоплавкого сплава на наплавляемой поверхности.

Цель достигается тем, что в известном способе, включающем помещение наплавляемой детали в форму с зазором, который заполняется жидким присадочным сплавом при нагреве в печи, герметизацию формы в интервале температур солидуса-ликвидуса легкоплавкого сплава и последующее охлаждение, новым является то, что наплавляемую поверхность дополнительно активируют, например, нанесением насечки.

Аналогичный прием известен в технике плазменного напыления.

Однако здесь наносят насечку (накатку) с целью механического увеличения площади контакта и дополнительного удержания напыляемого материала шероховатостями поверхности, а не с целью провоцирования начала кристаллизации присадочного сплава на поверхности изделия.

Способ осуществляют следующим образом.

На очищенную обезжиренную поверхность детали наносят насечку, например, пневматическим инструментом с острым бойком. Затем деталь помещают в дополнительную форму-контейнер с зазором, равным заданной ттолщине наплавляемого слоя. Наплавочный слой помещают сверху в контейнер, соединенный с общей наплавочной полостью, например, металлопроводами. Систему помещают в печь, нагревают, герметизируют наплавочную полость в интервале температур от температуры солидуса цветного сплава до температуры ликвидуса, а затем нагревают до температуры смачивания легкоплавким сплавом основы детали, а затем охлаждают.

В рассматриваемом случае нагрев и охлаждение производятся в промышленных термических печах общего назначения. Замерами установлено, что на стадии охлаждения в диапазоне температур ликвидус-солидус, когда происходит кристаллизация легкоплавкого сплава и формируется соединение основного металла с присадочным легкоплавким сплавом, имеет место одинаковость и синхронность снижения температур на массивах дополнительной формы и наплавляемой детали. Вследствие этого место начала кристаллизации и направление ее фронта непредсказуемы, зависят от малозначительных факторов, характеризуются неустойчивым состоянием.

Предлагаемый прием активации поверхности насечкой резко увеличивает на ней площадь контакта с жидким легкоплавким сплавом, а следовательно, массообмен фаз. Это приводит к растворению тугоплавкого железа в легкоплавком сплаве и быстрому повышению температуры плавления легкоплавкого сплава вблизи зоны контакта.

Металлографическими исследованиями установлено, что в зоне повышенной шероховатости по границе соединения обогащение железом действительно имеет место. Кроме того в легкоплавкий сплав прорастают целые "колонии" кристаллов стальной основы. Также имеется межкристаллитное проникновение легкоплавкого сплава в стальную основу.

По сравнению с более гладкой поверхностью переход железа в легкоплавкий сплав наблюдается в больших количествах и на большие расстояния.

Механическими испытаниями установлено, что биметаллические образцы с обогащенным железом приграничным слоем бронзы во всех случаях разрушаются по бронзе вдали от линии соединения с показателями не хуже прочности бронзы в исходном состоянии. Аналогичные образцы, содержащие по линии соединения усадочные и ликвационные дефекты, разрушались по границе стали с бронзой при весьма низких показателя (в т.ч. на порядок ниже прочности бронзы).

В практических целях для крупногабаритных изделий требуются антифрикционные покрытия толщиной 5-10 мм (редко 15). По условиям производства и требованиям точности припуск на обработку задается равным также 5-10 мм (10 редко). Получается при оптимальном начале кристаллизации и движении фронта, что в зону припуска попадают кристаллизующиеся в последнюю очередь слоя металла, содержащие усадочные и ликвационные слои металла.

П р и м е р. Изготавливали гайку нажимного винта прокатного стана "1300". Масса гайки 1200 кг, материал Ст20, наплавка осуществлялась бронзой Бр ОС 8-12. Перед наплавкой гайку очистили, обезжирили. На винтовые поверхности резьбы уменьшенного профиля стальной основы нанесли насечку пневматическим инструментом с острым бойком. Затем деталь поместили в дополнительную форму контейнер с зазором, наверху которой имеется полость с наплавочным материалом. Всю систему поместили в печь и нагрели до температуры смачивания стальной основы бронзой (до температуры 1150^оС), после чего охладили в печи, причем в диапазоне температур солидус-ликвидус легкоплавкого сплава (температура 1100^оС) контейнер загерметизировали.

Ресурс работы такой гайки до предельного износа бронзы составил 596 сут. Ресурс работы гайки, изготовленной без насечки, составил 325 сут. Замена гайки вызвана отслаиванием бронзы до наступления предельного износа.

Способ изготовления крупногабаритных биметаллических изделий наплавкой включает активирование металлической поверхности перед наплавкой, например, нанесением насечки с целью улучшения качества наплавляемого металла путем провоцирования начала кристаллизации на наплавляемой поверхности. 1 з. п. ф-лы.

1. Способ изготовления крупногабаритных биметаллических изделий наплавкой, включающий помещение наплавляемой детали в форму с зазором, размещение над зазором в контейнере наплавочного материала, помещение контейнера в печь, нагрев в интервале температур солидус ликвидус наплавочного сплава и последующее охлаждение, отличающийся тем, что наплавляемую поверхность дополнительно активируют. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что активацию проводят насечкой.