КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ИНДУКЦИОННОЙ НАПЛАВКИ Российский патент 2003 года по МПК B23K35/32 B23K13/01 

Изобретение относится к сварочному производству и может быть использовано для индукционной наплавки деталей машин, имеющих большие поверхности, работающие в режиме пар трения при интенсивных ударных нагрузках и высоких контактных напряжениях, например в железнодорожном транспорте, к таким деталям и узлам относятся надрессорные балки, буксовые проемы тележек, буферные стержни и т.д.

Известна композиция для индукционной наплавки (см. пат. RU 2154563, В 23 К 35/30, С 22 С 38/58, Б.23, 2000 г.), содержащая компоненты при следующем соотношении, мас.%:
Углерод - 2,4-2,7
Хром - 18-22
Никель - 14-18
Кремний - 0,8-1,0
Бор - 1,5-2,2
Марганец - 9-11
Железо - Остальное.

Однако использовать известную композицию для наплавки больших поверхностей, работающих с большими динамическими нагрузками, невозможно в виду того, что наплавленный слой при интервале температур индукционной наплавки имеет коэффициент линейного расширения α=(16-18)•10^-6, а упрочняемая сталь имеет α= (11,5-14,5)•10^-6, поэтому при остывании изделия наблюдается его коробление в сторону сплава, причем чем больше разница в коэффициентах, тем больше коробление, а растягивающие напряжения приводят к образованию трещин, что снижает качество наплавки.

За прототип выбран способ индукционной наплавки твердыми сплавами (см. книгу Ткачев В. Н. и др. "Индукционная наплавка твердых сплавов", -М.: Машиностроение, 1970, с. 112-113), в котором для наплавки используют псевдосплав ПС-4, включающий сормайт и феррохром 20-25%.

Недостатком прототипа является то, что при больших динамических нагрузках и особенно ударах напряжения увеличиваются, вызывая пластическую деформацию сплава, металл плывет. Это объясняется тем, что в переходной зоне между феррохромом и матрицей возникают хрупкие соединения, обогащенные хромом и углеродом, поэтому на границе раздела возникают микротрещины. Это обстоятельство указывает на недостаточное качество известного состава и снижение его технологических возможностей.

Задача предлагаемого изобретения состоит в разработке состава композиции для индукционной наплавки, позволяющей качественно наплавлять большие контактные поверхности, работающие в режиме динамических нагрузок.

Поставленная задача достигается тем, что в известной композиции для индукционной наплавки, включающей в качестве компонентов углерод, хром, никель, кремний, марганец, железо и углеродистый феррохром, последний вводят гранулами с размером их частиц 0,6-1,2 мм при следующем соотношении компонентов, маc.%:
Углерод - 1,7-1,9
Хром - 14-16
Никель - 2,8-3,2
Кремний - 0,9-1,0
Марганец - 7,7-8,8
Феррохром - 20-30
Железо - Остальное.

Сущность изобретения состоит в следующем.

В большинстве случаев площади больших контактных поверхностей, работающих в режиме динамических нагрузок, испытывают в местах их взаимодействия нагрузки, превышающие предел их текучести σ_T≥1500 кг/см² и прочности σ_B≥1800 кг/см². Например, удар, происходящий на неровностях пути колеса о рельс, передается на буксовый узел, а конкретно на сопряжение букса боковая рама тележки грузового вагона, которая без демпфирующих устройств воспринимает контактную нагрузку, достигающую σ_T≅6000 кг/см² и σ_B≅7200 кг/см².
Для обеспечения работы таких поверхностей потребовался новый композиционный материал.

Известно, что структурные составляющие износостойкого сплава имеют различные коэффициенты линейного расширения: аустенит - Fe (18-19)•10^-6, карбиды (6,0-6,5)•10^-6 (см. "Конструкционные материалы". под ред. Арзамасова Б.Н. -М.: Машиностроение, с. 60, табл.8). Из теории создания износостойких сплавов необходимым условием является наличие в сплаве около 30% карбидной или карбоборидной фазы, закрепленной в вязкой матрице-аустените. Вязкость матрицы достигается введением никеля и марганца, а количество карбидообразующих элементов определяют содержанием в сплаве углерода, которое для хрома должно соответствовать соотношению Сr/С =2-3 ат.%.

В создаваемую композицию ввели углеродистый феррохром с грануляцией 0,6-1,2 мм в количестве 20-28% по весу, в качестве связки сплав, имеющий состав: углерода 1,9%, хрома 15%, никеля 3,0%, кремния 1,0%, марганца 8,8%, остальное - железо. После этого в смесь посредством сухого смешивания добавили флюс, в состав которого вошли: борный ангидрид, бура безводная, силикокальций и сварочный флюс.

Опытные наплавки предложенного композиционного материала показали, что коэффициент линейного расширения наплавленного сплава не превышает 14•10^-6.

Металлографические исследования после проведенных испытаний установили, что в наплавленном композите отсутствуют хрупкие прослойки, обогащенные хромом и углеродом на границе твердых включений (А). Кроме того, в переходной зоне (В) от феррохрома к матрице отсутствуют хрупкие диффузионные оболочки.

Таким образом, предложенный композиционный материал соответствует поставленным технологическим свойствам, а именно обеспечивает смачиваемость, жидкотекучесть и повышенную трещиностойкость сплава, работающего в условиях ударов и больших динамических нагрузках.

Пример.

В Инженерном центре "Сплав" в производственных условиях изготавливают шихту из порошковых материалов, содержащую, мас.%:
ПГ-УСЧ-35 - 76%
ФХ-800 - 24% (гранулами до 1,0 мм).

Этот состав, как металлическую составляющую, берут 80% и добавляют 20% флюса.

Флюс представляет собой состав:
Переплав буры и борной кислоты - 65%
Силикокальций - 10%
Сварочный флюс - 25%
ОСЦ-45
Смесь компонентов перемешали в смесителе в течение 10-15 мин для получения однородной композиции для наплавки.

В таблице представлены составы испытываемых наплавочных композиций с различным содержанием компонентов.

Каждый их приготовленных составов композиций был наплавлен на плоские образцы из ст.3 размерами 60х25х4 одинаковым петлевым индуктором на высокочастотной установке ВЧГ-9 63/0,44 при температуре 1200^oС толщиной 1,5-2 мм.

Физико-механические свойства наплавленных образцов можно проследить по таблице.

Анализируя представленные составы смесей, металлической составляющей, приходим к выводу, что оптимальное содержание компонентов в композиции для индукционной наплавки находится в пределах, мас.%:
Углерод - 1,7-1,9
Хром - 14-16
Никель - 2,8-3,2
Кремний - 0,9-1,0
Марганец - 7,7-8,8
ФХ-800 - 20-30
Железо - Остальное.

При введении в композицию феррохрома меньше, чем 10% твердость и износостойкость будут невысокими, стрела прогиба наплавляемого слоя большая (коробление высокое), так как коэффициент линейного расширения будут достаточно высокий ≈18•10^-6, кроме того, наблюдают по наплавляемой поверхности неравномерность толщины слоя до 50%.

При составе компонентов в оптимальных пределах поверхность наплавленного сплава стабильно равномерна, а структурный анализ показывает, что по границам твердых частиц отсутствует каемка другого фазового состава.

При содержании феррохрома в экспериментальных составах 10% (состав 2 таблицы) износостойкость сплава понижалась до 1,1, а при содержании его 35% (состав 5 таблицы) снижалось сопротивление отрыва до 10,0 кг/мм².

Использование предложенной композиции позволяет упрочнять большие поверхности монолитных деталей и узлов, работающих в условиях ударных и высоких динамических нагрузках.

Изобретение может быть использовано при наплавке деталей машин, имеющих большие поверхности, работающие в режиме пар трения при интенсивных ударных нагрузках и высоких контактных напряжениях. Композиция содержит углеродистый феррохром в гранулах с размером частиц 0,6-1,2 мм при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод 1,7-1,9, хром 14-16, никель 2,8-3,2, кремний 0,9-1,0, марганец 7,7-8,8, феррохром 20-30, железо - остальное. Использование композиции позволяет получить высокое качество наплавки при упрочнении больших поверхностей монолитных деталей. 1 табл.

Композиция для индукционной наплавки, содержащая в качестве компонентов углерод, хром, никель, кремний, марганец, железо и углеродистый феррохром, отличающаяся тем, что углеродистый феррохром она содержит в гранулах с размером частиц 0,6-1,2 мм при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 1,7-1,9
Хром - 14-16
Никель - 2,8-3,2
Кремний - 0,9-1,0
Марганец - 7,7-8,8
Феррохром - 20-30
Железо - Остальноеа