СПОСОБ ИНДУКЦИОННО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ НАПЛАВКИ Российский патент 2002 года по МПК B23K13/01 B23K35/40 

Предлагаемое изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для повышения износостойкости различных деталей и узлов, работающих в режиме пар трения.

Известен способ индукционной наплавки композиционным сплавом (см. авт. св. 493315, кл. В 23 К 13/00, БИ N 44, 1975), при котором на наплавляемую поверхность укладывают зерна износостойкой составляющей композиционного сплава, а сверху укладывают шихту сплава-связки и нагревают, причем зерна износостойкой составляющей композиционного сплава предварительно смешивают с пылевидной фракцией пластичного металла и после укладки на наплавляемую поверхность производят опрессовку.

Недостатком известного способа является то, что, несмотря на возможность уменьшения посредством опрессовки объемного веса металла, невозможно получить минимальный зазор между основным металлом и индуктором при использовании индукционно-металлургического способа наплавки деталей узлов трения при их упрочнении.

Кроме того, при наплавке крупногабаритных изделий опрессовку производить нельзя, так как, используя индукционно-металлургический метод, предусматривается свободное насыпание шихты дозатором на всю поверхность упрочняемой детали в процессе наплавки.

Известен способ наплавки, при котором на наплавляемую поверхность наносят шихту (см. патент 2147980), представляющую собой механическую смесь гранулированного износостойкого сплава и боросодержащего флюса с частицами размером 0 - 0,4 мм в количестве 18 - 20%.

Однако при наплавке крупногабаритных изделий, работающих в режиме пар трения, необходимо наплавлять слой толщиной не менее 1,5 - 2,0 мм, при этом, используя имеющуюся технологию, необходимо наносить слой шихты 6 - 9 мм (в зависимости от применяемого флюса и его объемного веса). Это обстоятельство сузит технологические возможности индукционно-металлургического способа, так как невозможно выполнить условие интенсивности нагрева при заданном зазоре между плавящимся витком индуктора и поверхностью основного металла.

За прототип выбран способ односторонней непрерывно-последовательной наплавки (см. патент 2110361, кл. В 22 D 19/00, С 23 С 26/00, БИ N 13, 1998), заключающийся в том, что на изделие наносят шихту и перемещают его относительно индуктора, причем пассивная ветвь которого осуществляет предварительный нагрев изделия и располагается под наплавляемым изделием на величину насыпаемой шихты, а активная ветвь, расплавляющая последнюю, размещается с зазором, равным толщине наплавляемого слоя, при этом интенсивность нагрева под каждой ветвью соответствует определенной зависимости.

Однако использовать известную технологию с известными для этого процесса материалами весьма проблематично, так как увеличивается величина зазора между ветвями индуктора и основным металлом, поэтому интенсивность нагрева падает, а соответственно ухудшаются условия индукционно-металлургического способа. Выполнить заданную толщину наплавляемою слоя невозможно, что сужает технологические возможности индукционно-металлургического способа в целом.

Задача предлагаемого изобретения состояла в разработке способа индукционно-металлургической наплавки, позволяющего расширить его технологические возможности.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе индукционно-металлургической наплавки, при котором на изделие наносят заданный слой шихты, включающей гранулы износостойкого сплава, с последующим расплавлением ее индуктором, перед использованием гранулы износостойкого сплава предварительно обрабатывают смесью борной кислоты 88 - 90% и кальцинированной соды 10 - 12% с добавлением в механическую смесь упомянутых компонентов воды из расчета 250 г на 1 кг смеси и нагревают до 250^oС для обеспечения кристаллизации боросодержащих компонентов на поверхность гранул износостойкого сплава.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Процессом индукционно-металлургического способа наплавки предусмотрено получать слой износостойкого сплава путем расплавления наплавочной шихты при индукционном нагреве.

Интенсивность нагрева основного металла внешним полем при установленной мощности под слоем наплавочной шихты в интервале 700 - 1300^oС подчиняется уравнению:

где I_i - интенсивность нагрева, ^oС/с;
I₁ - интенсивность нагрева при зазоре между плавящимся витком индуктора и поверхностью ванны, равной 1 мм;
Δ^1,4-1,5 - зазор, обеспечивающий интенсивность нагрева.

Для повышения интенсивности нагрева при установленной мощности необходимо снижать зазор между плавящейся ветвью индуктора и наплавляемой поверхностью. Минимальный зазор от плавящейся ветви до упрочняемой поверхности определяется исходя из требований к толщине слоя износостойкого сплава. Техническим условием ИМС предусмотрено наносить 1,5 - 2,0 мм износостойкого сплава на упрочняемую поверхность.

В инженерном центре "Сплав" в результате наплавок было обнаружено, что при использовании шихты с наиболее часто применяемыми в практике флюсами НП-3 необходимо наносить слой шихты 7 - 9,5 мм, а при использовании шихты, содержащей флюс П1,5, требуется наносить 6-8 мм. Исходя из вышеприведенного уравнения (1), описывающего зависимость интенсивности нагрева от зазора между плавящимся витком индуктора и поверхностью основного металла, наплавить слой 1,5 - 2 мм не представляется возможным. Используя известные шихты с флюсами, их объемный вес составляет 1,7 - 2,1 г/см³, что требует для получения 1 мм наплавленного сплава наносить слой шихты 3,5 - 4,8 мм.

Потребность в повышении объемного веса шихты возможна с введением дополнительного технологического приема. Для этого гранулированный сплав шихты в смеси с борной кислотой и кальцинированной содой помещают в металлический противень и добавляют воду из расчета 250 г на 1 кг шихты, затем помещают в сушильную печь и греют от 200 - 250^oС до полного испарения воды. При достижении температуры в печи 100^oС борная кислота и сода полностью растворяются в воде, а затем при повышении температуры раствор начинает испаряться, и на поверхности гранул сплава оседают кристаллы боросодержащих компонентов. Это обеспечивает защиту гранул износостойкого сплава от окисления при нагреве до 700 - 1300^oС в процессе наплавки и способствует ускорению диффузии бора на поверхности частиц сплава. Затем смесь достают из печи, охлаждают на воздухе, а потом размалывают в дробилке и просеивают через сито. Далее, к полученной смеси добавляют флюс (АН-348 или П1,5) 3,0 - 5,5% и силикокальцин (СК-30) - 1,0 - 2,2%, которые способствуют раскислению жидких фаз металлургической ванны в момент наплавки.

Таким образом, шихта готова к наплавке, ее объемный вес увеличился до 2,4 г/см³, что способствует наплавке 2 мм слоя при сохранении зазора в пределах 4,5 - 5,0 мм.

Пример.

Наплавке подлежит буферная тарель весом 40 кг, поверхность наплавки - ⊘ 300 мм.

Исходные данные:
толщина наплавляемого слоя - 1,5 - 2,0 мм;
объемный вес шихты - 2,4 г/см³;
толщина наносимого слоя шихты - 5,0 мм;
зазор между основным металлом и плавящимся витком индуктора во время процесса - 2,0 мм;
зазор между основным металлом и подогревающим витком индуктора во время процесса - 6,0 мм;
интенсивность нагрева - 40 - 60^oС/с.

Для получения 1 кг шихты приготовили: 860 г гранулированного сплава, 90 г борной кислот, 10 г соды кальцинированной. Смесь высыпали в железный противень и залили в него 250 г воды, затем поставили противень в сушильную печь и грели до t= 250^oС. Вода испарилась, смесь высушили и размололи в дробилке, после чего просеяли ее через сито.

К полученной смеси добавили флюс АН-348 в количестве 30 г и силикокальций СК-30 - 10 г.

Шихта готова к наплавке и может храниться в сухом помещении до 60 дней.

Для наплавки буферной тарели потребность шихты составит:

где S - площадь наплавляемого слоя, мм²;
а - толщина наплавленного слоя, мм;
γ - удельный вес сплава, г/см³;
% - процентная составляющая гранулированного сплава в шихте, %.

Расчет:
Буферную тарель уложили на наплавочный манипулятор и засыпали приготовленной шихтой (680 г) упрочняемую поверхность слоем 5 мм. Далее по технологии тарель подводят под индуктор, включают его на нагрев и наплавляют последовательно при постоянной скорости вращения тарели всю поверхность при соответствующих режимах: I_а 4-5 А, U_a 8,5-9,0 кВ. В результате получили толщину наплавляемого слоя 1,5 - 1,8 мм по поверхности.

Использование способа индукционно-металлургической наплавки позволяет за счет предварительной обработки гранул износостойкого сплава борной кислотой и кальцинированной содой, растворенных в воде и подвергнутых испарению с последующей кристаллизацией на гранулах, обеспечить расширение технологических возможностей наплавки, так как этот технологический прием дает увеличение объемного веса шихты, который позволяет уменьшать толщину слоя шихты и производить посредством индукционно-металлургического способа упрочнения изделий заданной величиной наплавки.

Кроме того, предварительная обработка шихты позволяет увеличить срок ее хранения до 2 месяцев, что дает возможность увеличить производительность наплавки.

Изобретение может быть использовано при наплавке различных деталей и узлов, работающих в режиме пар -трения. На изделие наносят заданный слой шихты с гранулами износостойкого сплава. Расплавляют шихту индуктором. Гранулы износостойкого сплава предварительно обрабатывают смесью борной кислоты 88 - 90% и кальцинированной соды 10-12% с добавлением в механическую смесь упомянутых компонентов воды из расчета 250 г на 1 кг смеси. Производят нагрев до 250^oС для обеспечения кристаллизации боросодержащих компонентов на поверхности гранул износостойкого сплава. При температуре 700-1300^oС в процессе наплавки осуществляется кристаллизация боросодержащих компонентов, что препятствует окислению гранул и способствует ускорению диффузии бора на их поверхности. Толщина слоя шихты при наплавке может быть уменьшена, а ее срок хранения увеличен.

Способ индукционно-металлургической наплавки, при котором на изделие наносят заданный слой шихты, включающей гранулы износостойкого сплава, с последующим расплавлением ее индуктором, отличающийся тем, что гранулы износостойкого сплава предварительно обрабатывают смесью борной кислоты 88 - 90% и кальцинированной соды 10 - 12% с добавлением в механическую смесь упомянутых компонентов воды из расчета 250 г на 1 кг смеси и нагревают до 250^oС для обеспечения кристаллизации боросодержащих компонентов на поверхности гранул износостойкого сплава.