Способ нанесения порошковых покрытий на внутренние поверхности деталей и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК B22F7/04 

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам и устройствам для нанесения порошковых покрытий на внутренние поверхности деталей.

Цель изобретения - повышение производительности процесса.

Цель достигается тем, что согласно способу нанесения порошковых покрытий на внутренние поверхности деталей, преимущественно из ферромагнитных материалов, включающему загрузку порошкового материала в полость детали, вращение ее вокруг собственной оси, нагрев токами высокой частоты до температуры спекания и изотермическую выдержку, перед загрузкой порошка осуществляют дополнительный нагрев детали до температуры, выбираемой из следующего соотношения:

т.(, (1)

где Т - средняя температура детали, °С;

Тк - температура Кюри порошкового материала, °С;

TO - начальная температура порошкового материала, С;

Шд - масса детали, кг;

mn - масса загружаемого порошкового материала, кг;

Сд - удельная теплоемкость материала детали, Дж/кг. град;

Сп удельная теплоемкость материала порошка, Дж/кг град;

К 1.1 ... 1,2 - коэффициент запаса, учитывающий потери тепла в окружающую среду, устанавливаемый экспериментально,

а нагрев до температуры спекания проводят после достижения порошковым слоем температуры Кюри.

Таким образом, вначале деталь без порошка нагревают до температуры, превышающей температуру Кюри в соответствии с соотношением (1), а после засыпки в ее полость порошкового материала, который, в свою очередь, нагревается до температуры Кюри в результате теплопередачи от стенок детали, осуществляют нагрев сформованного порошкового слоя до температуры спекания. Наличие дополнительного нагрева перед загрузкой порошка и последующего нагрева порошкового слоя до температуры спекания после достижения им температуры Кюри обеспечивают возможность использования внутреннего индукционного нагрева при получении покрытий из ферромагнитных порошковых материалов, так как индукционный нагрев порошка осуществляется после потери им ферромагнитных свойств, в результате чего исключается притяжение частиц порошка к индуктору ТВЧ и налипание их на него. Использование внутреннего индукционного нагрева в данном случае позволяет существенно повысить производительность процесса получения покрытия на внутренней поверхности детали, поскольку при этом отпадает необходимость нагрева стенок детали до температуры спекания порошка по всей их толщине, что позволяет сократить время нагрева до температуры спекания самого порошкового слоя и снизить энергозатраты на осуществление процесса припекания.

Для вывода соотношения (1) запишем уравнение теплового баланса

да тд. Сд(Т-Тк) тп-Сп-СТк-Тр),

„(2)

где Т - средняя температура детали. С;

Тк -температура Кюри порошкового материала, С;

То - начальная температура порошкового материала, €;

Шд - масса детали, кг;

глп - масса загружаемогопорошкового материала, кг;

Сд - удельная теплоемкость материала етали. Дж/кг-град;

Сп - удельная теплоемкость материала

порошка, Дж/кгград.

Из уравнения (2) путем несложных преобразований получается выражение для определейия температуры, до которой необходимо нагреть деталь, чтобы обеспечить достижение порошковым слоем температуры Кюри за счет теплопередачи от детали

Т г 1 °) 4- ТЛ ( Шд Сд +KJ }

Если ввести в (3) коэффициент запаса К 1,1 ... 1,2, учитывающий потери тепла в окружающую среду, устанавливаемый экспериментально, получим соотношение (1).

В устройстве для нанесения порошковых покрытий на внутренние поверхности деталей, преимущественно из ферромаг-. нитных материалов, содержащем корпус, источник нагрева, узел вращения с приводом, выполненным в виде наружной трубы и штока с втулкой, помещенного в полый вал, узел вращения установлен с возможностью осевого перемещения вместе со сменной втулкой относительно вала и выполнен

с фиксатором его положения относительно последнего.

Выполнение узла вращения с возможностью осевого перемещения вместе со сменной втулк.ой относительно вала обеспе

чивает попеременную установку детали на двух позициях, на одной из которых осуществляется закрепление детали в узле вращения, загрузка порошкового материала и снятие детали, а на второй - дополнительный нагрев детали и нагрев порошкового слоя до температуры спекания. Наличие возможности попеременной установки детали в двух позициях позволяет реализовать дополнительный нагрев детали перед засыпкой порошка и последующий нагрев порошкового слоя до температуры спекания согласно предложенному способу. В результате этого обеспечивается возможность осуществления внутреннего индукционного

нагрева при припекании покрытий из порошков ферромагнитных материалов, что позволяет повысить производительность технологического процесса получения покрытий по сравнению с прилеканием на наружном нагреве.

Фиксатор положения узла вращения относительно вала служит для предотвращения самопроизвольного опускания штока со сменной втулкой в процессе загрузки поpouiKOBoro материала, что обеспечивает pa ботоспособность устройства.

Получение покрытия по предлагаемому способу осуществляют следующим образом,5

Деталь устанавливают на центрирующую оправку и закрепляют в зажимном приспособлении. Далее приводят ее во вращение и перед загрузкой порошка перемещают на позицию нагрева токами высокой частоты. 10 Включают нагрев ТВЧ и осуществляют дополнительный нагрев детали до температуры, выбираемой из соотношения (1).

После зтого нагрев прекращают, перемещают деталь в исходное положение и осуще- 15 стел я ют загрузку порошкового материала в -ПОЛОСТЬ деталиу В результате воздействия центробежных сил происходит формирование порошкового слоя на внутренней поверхности детали.20

После достижения порошковым слоем температуры Кюри за счет теплопередачи от детали, деталь с предварительно сформованным порошковым слоем перемещают на позицию нагрева, включают нагрев ТВЧ и 25 проводят нагрев токами высокой частоты порошкового слоя до его температуры спекания.

Таким образом, способ нанесения порошковых покрытий на внутренние поверх- 30 мости деталей обеспечивает повышение производительности процесса нанесения покрытий, а также снижение энергозатрат.

На фиг. 1 представлено устройство, общий вид; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; 35 на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 2.

Устройство содержит установочную плиту 1, прикрепленную болтами 2 к станине (не показана). На установочной плите 1, стационарно крепится корпус 3, в котором 40 базируется гильза 4, приваренная к фланцу 5, на котором установлен стакан 6, прикрепленный к фланцу 5 болтами 7 и 8. В верхней части на стакане 6 установлена крышка 9, содержащая полый упор 10, установленный 45 в ней в подшипнике 11 с возможностью вращения. Внутри гильзы 4 в подшипниках 12 и 13 установлен узел вращения, выполненный в коаксиально установленных наружной трубы 14, полого вала 15 и штока 50 16. В верхней части штока 16 с помощью винта 17 закреплена сменная втулка 18. Узел вращения установлен с возможностью осевого перемещения вместе со сменной втулкой 18 относительно вала 15 и выпол- 55 нен с фиксатором 19 его положения относительно последнего. Фиксатор 19 выполнен в виде двух подпружиненных шариков, установленных во втулке 20, К полому валу 15 крепится сменная центрирующая оправка

21, в которую устанавливается деталь 22. Фиксатор 19 фиксирует положение штока 16 относительно полого вала 15 для размещения сменной втулки 18 внутри детали 22 и вне ее. При зтом расположение сменной втулки 18 внутри детали 22 над центрирующей оправкой 21 фиксируется фиксатором Id на позициях размещения детали 22 на центрирующей оправке 21, упругого поджима детали 22 к упору 10 и засыпки порошкового материала 23. Расположение сменной втулки 18 вне детали 22 внутри центрирующей оправки 21 фиксируется фиксатором 19 на позициях дополнительного нагрева детали 22 и нагрева порошкового слоя 23 до температуры его спекания. Изменение указанного относительного расположения сменной втулки 18 внутри детали 22 или вне ее обеспечивается взаимодействием вращающейся шайбы 24, установленной на подшипнике 25, расположенном на штоке 16 при осевом перемещении последнего, с упором 26, закрепленным на станине (не показана).

Поджим детали 22 обеспечивается винтовой передачей, расположенной на наружной поверхности трубы 14, образующей винтовую пару со втулкой 27, в результате чего полый вал 15 и шток 16 узла вращения получают осевые перемещения. Винтовая передача связана со штоком 16 посредством фиксатора IS и полого вала 15.

Устройство снабжено механизмом осевого перемещения, предназначенного для подачи узла вращения на позиции нагрева токами высокой частоты, который представляет собой плиту 29, установленную на гильзе 4. К плите 29 с помощью серьг 30 крепится рычаг31, который, в свою очередь, установлен на пальце 32 (фиг. 2. деталь условно снята) и прикреплен болтами 33 к станине (не показана).

Устройство снабжено приводом вращения, который содержит электродвигатель 34, установленный на кронштейне 35. который, в свою очередь, крепится в нижней части к плите 29, а в верхней с помощью кронштейна 36 к фланцу 5, и клиноременную передачу со шкивами 37 и 38. Шкив 37 установлен на выходном валу электродвигателя 34, а шкив 38 с помощью шпонки 39 закреплен на наружной трубе 14 узла вращения.

Устройство также снабжено источником 40 нагрева, установленным соосно детали 22 в упоре 10 и представляк)щим собой внутренний индуктор ТВЧ.

Для улучшения условий осевого перемещения узла вращения устройства на позицию нагрева ТВЧ в корпусе 3 (фиг. 3)

установлены упругие элементы 41 в виде пружин, а также шпильки 42, Шпильки 42 в верхней части соединены с фланцем 5, а в нижней части упираются в плиту 29.

Устройство снабженб также средством измерения термической деформации детали 22 во время нагрева, по величине которой судят о средней температуре нагрева детали 22. С этой целью крышка 9, установленная на стакане 6, поджата к нему упругими элементами 43 и снабжена датчикрм перемещения 44, который установлен на кронштейнах 45 и 28. Кронштейн 45 установлен на подпружиненной крышке 9, а кронштейн 28 крепится болтами 7 к фланцу 5. Подпружиненная крышка 9 крепится к стакану 6 болтами 8. Все элементы устройства, с которыми контактирует деталь 22 и порошок 23, Покрываются окисью хрома или окисью алюминия для предотвращения приваривания и налипания на них порошкового материала 23.

Устройство работает следующим образом.

Деталь 22 устанавливают в центрирующую оправку 21. Для предотвращения высыпания порошкового материала 23 по нижнему торцу детали 22 укладывают асбестовую прокладку.

Производится стопорение шкива 39 привода вращения и. с помощью винтовой передачи, вращая втулку 27, полы вал 15 и шток 16, связанный между собой фиксатором 19,перемещаются вверх до тех пор,пока деталь 22 не достигнет упора 10 и произой: дет их зажатие. При этом сменная втулка 18, расположенная на штоке 16, размещается внутри детали 22 над центрирующей оправкой 2t. Это положение фиксирует фиксатор 19./

Включают электродвигатель 34 привода вращения. Затем рычагом 3t осуществляется подъем узла вращения устройства на позицию дополнительного нагрева детали 22 токами высокой частоты. При перемещении сменная втулка 18 располагается вне детали 22 внутри центрирующей оправки 21. что обеспечивается взаимодействием вращающейся на штоке 16 шайбы 24 с неподвижным упором 26. При этом осевое перемещение штока 16 прекращается, а полый вал 15, на котором установлена центрирующая оправка 21 с деталью 22, продолжает перемещение вверх. Фиксатор 19 переходит в положение Г. Подъем осуществляется до полного вхождения внутреннего индуктора ТВЧ 40 в полость детали 22.

Улучшенные условия подъема обеспечиваются установленными в корпусе 3 упругими элементами 41 и шпильками 42 в

результате взаимодействия последних с плитой 29 механизма осевого перемещения. Далее включается нагрев внутренним индуктором ТВЧ 40 и осуществляется нагрев детали 22 до температуры, выбираемой из соотношения (1). Средняя температура детали 22 определяется по величине ее термической деформации, которую непрерывно измеряют при осевом перемещении

крышки 3 датчиком 44 перемещения. По достижении заданнрй температуры прекращак т нагрев внутреннего индуктора ТВЧ 40 и осуществляют рычагом 31 перемещение узла вращения устройства на позицию упругого зажима, где осуществляют загрузку порошкового материала 23 с помощью специального дозатора (не гюказан) в зазор, образованный внутренней поверхностью детали 22 и сменной втулкой 18, при этом

последняя разместится внутри детали 22 над центрирующей оправкой 21. Это положение фиксирует фиксатор 19.

Порошковый слой 23 поН действием центробежных сил, создаваемых при вращении, формируется на внутренней поверхности нагретой детали 22 до достижения его внутренней поверхностью температуры Кюри, при которой он теряет свои ферромагнитные свойства и переходит в парамагнитное состояние. После достижения требуемой температуры узел вращения устройства рычагом 31 снова переводится на позицию нагрева внутренним индуктором ТВЧ 40, включается нагрев ТВЧ и осуществляется нагрев порошкового слоя до его температуры спекания. При этом сменная втулка 18 располагается вне детали 22 внутри центрирующей оправки 21, что обеспечивается взаимодействием буртиков

вращающейся на штоке 16 шайбы 24 с упором 26, а фиксатор 19 переходит в положение Б.

После завершения процесса высокотемпературной обработки нагрев ТВЧ отключается, узел вращения устройства рычагом 31 переводится на позицию упругого поджима. При этом фиксатор 19 зафиксирует расположение сменной втулки 18 внутри детали 22 над центрирующей оправкой 21.

Затем отключается электродвигатель 34 привода вращения и производится стопорение шкива 39. После этого с помощью винтовой передачи с втулкой 21, образующей винтовую пару с наружной трубой 14. перемещают полый вал 15 со штоком 16 вниз на позицию загрузки детали 22, в результате чего обеспечивается ее разжим.

После этого деталь 22 со сформованным порошковым слоем 23 извлекают мз центрирующей оправки 21 и охлаждают.

Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с известными обеспечивает повышение производительности технологического процесса.

Пример. Упрочнению подвергают образцы, изготовленные из стали 15ХНГТА. внутренний диаметр которых составляет 80 мм. Наружный диаметр образцов варьируют в пределах 85 - 230 мм.

В качестве наносимого порошкового материала используют

а)Порошок самофлюсирующего сплава ПР-Х4Г2Р4С2Ф, температура спекания которого составляет 1075° С.

б)Распыленный железный порошок ПЖРВ2, температура спекания которого составляет 1130° С.

в)Антифрикционный порошковый материал ЖГрЗ, температура спекания которого составляет 1050° С.

Для индукционного нагрева деталей используют ламповый генератор ТВЧ ЛПЗ 267М, мощностью 60 кВт и частотой 63 кГц.

Реализацию способа осуществляют на предлагаемом устройстве.

Деталь устанавливают в центрирующую оправку и закрепляют зажимным приспособлением с упругим поджимом. Затем деталь приводят во вращение со скоростью 1500 об/мин, узел вращения устройства перемещают на позицию нагрева до полного вхождения внутреннего индуктора ТВЧ & полость детали и, перед загрузкой порошка, осуществляют дополнительный нагрев детали до температуры, которую выбирают из соотношения (1);

Г , rrif Сд

где Т - средняя температура детали. С;

Тк - температура Кюри порошкового материала: для ПР-Х4Г2Р4С2Ф - 750° С; ПЖРВ2 - 770° С: ЖГрЗ - 770° С;

То - начальна) температура порошкового материала. То 20° С;

гпд - масса детали, ппд 0,5 - 5,85 кг;

тп - масса загружаемого порошкового материала, шп 0,124 кг;

Сд - удельная теплоемкость материала детали, Сд 0,46 Ю Дж/кг.град;

Сп - удельная теплоемкость материала порошка: ПР-Х4Г2Р4С2Ф - 0.6 ГО Дж/кг-трад; ПЖРВ2 -0,46 Ю Дж/кг-град; ЖГрЗ - 0,5 10 Дж/кг-град;

К 1,1 ... 1,2 - коэффициент запаса, учитывающий потери тепла в окружающую среду, который определялся экспериментально. Принимают К 1,15. Подставляя численные значения в соотношение (1). определяют среднюю температуру нагрева детали, которую при нанесении порошка

ПР-Х4Г2Р4С2Ф принимают равной 900° С; порошка ПЖРВ2 - 910° С; ЖГрЗ - 910° С.

Время дополнительного нагрева составляет 0,5 мин. После чего нагрев ТВЧ прекращают и осуществляют загрузку мерной дозы порошка (0,124 кг) в полость заготовки при ее вращении. При этом посредством теплопередачи от детали порошковый слой формируется на ее внутренней поверхности и нагревается до

температуры Кюри, в результате чего он теряет свои ферромагнитные свойства и переходит а парамагнитное состояние. После достижения заданной температуры деталь снова перемещают на позицию нагрева и

нагревают предварительно сформованный порошковый слой до температуры спекания, которая для порошка ПР-Х4Г2Р4С2Ф составляют 1075° С, для порошка ПЖРВ2 1130° С, для порошка ЖГрЗ-1050° С. Изотермическая выдержка во всех случаях составляет 0,9 мин.

По окончании процесса высокотемпературной обработки отключают нагрев ТВЧ и привод вращения детали. Деталь извлекают

из устройства и охлаждают.

Экспериментальные исследования по изготовлению опытных партий заготовок проводят по предлагаемому способу в сравнении с известным.

Результаты, достигнутые при изготовлении, представлены в таблице.

Как показывает анализ полученных значений таблицы только предлагаемое техническое решение обеспечивает повышение

производительности процесса и снижение энергозатрат. Результаты, полученные при испол зовании известного способа, показывают, что качественные порошковые покрытия получают только при толщинах

стенки менее 40 мм. но при использовании значительно более высокой требуемой мощности генератора ТВЧ и длительности процесса. При тоящине более 40 мм мощности генератора ТВЧ не хватает для получения

качественного покрытия (отсутствует припекание порошкового слоя) в связи с низкой эффективностью нагрева, а в некоторых случаях наблюдается оплавление наружной поверхности детали при отсутствии

припекания порошкового слоя к ее внутренней поверхности.

На основании проведенных исследований разработан технологический процесс упрочнения и восстановления шестерни 2-й

передачи вторичного вала коробки передач ЯМЗ № 236-1701127 автомобиля КаМАЗ.

Таким образом, предлагаемое изобретение по сравнению с известным обладает следующими технико-экономическими преимуществами:.

обеспечивает повышение производительности технологического процесса и снижение энергозатрат;

обеспечивает повышение эффективности нагрева:

обеспечивает получение покрытий из порошков ферромагнитных материалов с высокими физико-механическими свойствами.

Формула изобретения

1. Способ нанесения порошковых покрытий на внутренние поверхности деталей преимущественно из ферромагнитных материалов, включающий загрузку порошкового материала в полость детали, вращение ее вокруг собственной рси, нагрев токами высокой частоты до температуры спекания и изотермическую выдержку, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности процесса, перед загрузкой порошка осуществляют дополнительный нагрев детали до температуры, выбираемой из следующего соотношения:

Т К с (llg) +Т . (1) где Т - средняя температура детали, С,

Тк - температура Кюри порошкового материала, °С:

Тр - начальная температура порошкового материала, °С: Год - масса детали, кг:

Гол - масса загружаемого порошкового материала, кг;.,

Сд - удельная теплоемкость материала детали, Дж/кг,град;

Сл - удельная теплоемкость материала порошка, Дж/кгтрад;

К 1,1 ... 1,2 - коэффициент запаса, учитывающий потери тепла в окружающую среду, устанавливаемый экспериментально, а нагрев до температуры спекания проводят после достижения порошковым слоем температуры Кюри.

2. Устройство для нанесения порошковых покрытий на внутренние поверхности деталей преимущественно из ферромагнитных материалов, содержащее корпус, источник Hafrpeaa, узел вращения с приводом, выполненный в виде наружной трубы и втулкой, помещенного в полый вал, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения производительности, узел вращения установлен с возможностью осевого перемещения вместе со сменной втулкой относительно вала и выполнен с фиксатором его положения относительно последнего.

Фиг.1

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам нанесения порошковых покрытий преимущественно из ферромагнитных материалов на внутренние поверхности деталей и устройствам для его осуществления. Цель - повышение производительности. Деталь нагревают до температуры, выбираемой из определенного соотношения, загружают в полость детали порошок, вращают ее вокруг собственной оси и по достижении порошковым слоем температуры Кюри проводят нагрев до температуры спекания. Устройство содержит корпус, источник нагрева, узел вращения с приводом, выполненным в виде наружной трубы и штока с втулкой, помещенного в полый вал. При этом узел вращения установлен с возможностью, осевого перемещения вместе со сменной втулкой относительно вала и выполнен с фиксатором его положения относительно последнего. 1 3. п. ф-лы, 3 ил., 1 табл,уЁ