Способ автоматической наплавки изнашиваемых поверхностей изделий, устройство для его осуществления и состав наплавленного материала Советский патент 1993 года по МПК B23K9/04 B23K35/30 

Изобретение относится к промышленности строительных материалов и может быть использовано при изготовлении и ремонте шнеков и других деталей, подвергаемых абразивному изнашиванию, в химической, гор- нерудной, машиностроительной отраслях производства.

Цель изобретений - повышение производительности процесса и увеличение долговечности изделия путем повышения динамики кристаллизации.

Указанная цепь достигаете тем. что в известном способе ватоматичаской неплавки изнашиваемых поверякоетей иадйямй. преимущественно типа шнек, изделие вращают вокруг его продольной оси и помещают е полость кристаллизаторе. При этом обрабатываемая поверхность иадого охааттается с трех сторон. Боковые части кристаллизатора и торцовая часть расположены с заао- ром. В образовавшуюся полость между изделием и поверхностями кристаллизатора подают наплавляемый материал, при этом кристаллизатор перемещают в горизонтальном направлена вдоль обрабатываемого изделия.

Новым в заявленном способе является то, что обрабатываемую поверхность изделия предварительно охлаждают до температуры ниже температуры кристаллизатора не менее чем на 50°С. Такой перепад температуры обеспечивает направленную кристаллизацию, начинающуюся от поверхности изделия, что обеспечивает повышение прочности переходного слоя, а следовательно, долговечности изделия в условиях внешних напряжений или абразивного воздействия.

В табл.1 отражены результаты экспериментальных исследований зависимости толщины наплавляемого слоя от градиента температур. Наряду с этим увеличение массы подложки (масса наплавляемого материала значительно больше массы кристаллизатора) ведет к увеличению скорости роста дендритов, уменьшая тем самым интервал кристаллизации, что позволяет увеличить скорость наплавки, а следовательно, повысить производительность труда. Кроме этого, новым в заявленном решении является то, что одновременно с наплавкой в зону кристаллизации подают модифицирующую смесь, что приводит к объемной кристаллизации при высокой динамике процесса, вследствие чего повышается производительность труда. Кроме того, при введении модифицирующей смеси в зону наплавки происходит измельчение зерна и субзерна, происходит очистка границ зерен от нежелательных включений. Резко возрастает однородность по концентрации и структуре в объеме наплавленного слоя. Металл становится изотропным, имеет более высокую износостойкость и способствует увеличению долговечности концентраТеким образом, заявленное техническое решение можно квалифицировать как соответствующее критерию новизна, так как оно характеризуется совокупностью новых действий (операции), именно: изделие охлаждают до определенного перепада температур; производят модифицирование наплавляемого материала: порядком выполнения действий, а именно: изделие предварительно (перепад введением в зону кристаллизации) охлаждают; одновременно с наплавкой производят модифицирование; режим, а именно: изделие охлаждают до температуры на 50°С ниже температуры кристаллизатора.

Указанная цель достигается тем, что устройство автоматической наплавки изнашиваемых поверхностей изделий, преимущественно типа шнек, содержит станину, привод вращения изделия, сварочную головку с гибким стволом для подачи проволоки и кристаллизатор, выполненный в виде основания с двумя стенками внутренние поверхности которых эквидистантны друг jjpyry и расположены наклонно к поверхности основания, при этом одна часть кристаллизатора выполнена подвижной, а другая - неподвижной.

Новым в устройстве является то, что оно дополнительно снабжено охлаждающим устройством, служащим для охлаждения наплавляемой поверхности изделия перед входом его в зону кристаллизатора. Кроме того, устройство снабжено бункером для хранения и подачи модифицирующей смеси в.зону кристаллизации. При этом внутренняя поверхность кристаллизатора выполнена в виде плоскопараллельных ломанных поверхностей, состоящих из участков, параллельных поверхности наплавляемого изделия, и наклонных к ним поверхностей с углом между перпендикулярными и наклонными участками 15-20°.

Устройство снабжено дополнительно приспособлением - охлаждающим устройством, а также бункером для модифицирующей смеси, подаваемой в зону кристаллизации, одновременно с наплавляемым материалом. Кроме того, кристаллизатор конструктивно выполнен иначе, чем по прототипу, а именно внутренняя его поверхность выполнена в виде плоскопараллельных ломаных поверхностей, состоящих из двух участков. Один из участков выполнен параллельно поверхности наплавляемого материала, а другой - под наклоном. Угол между перпендикулярной и наклонной поверхностями равен 15-20°.

Новая совокупность признаков позволила обеспечить более высокий результат при использовании изобретения, чем тот, который был получен от объекта-прототипа. Так, охлаждающее устройство, установленное перед кристаллизатором и выполненное с возможностью контактирования его с обрабатываемой поверхностью изделия, позволяет повысить динамику кристаллизации за счет увеличения скорости роста дендритов и, следовательно, повысить производительность труда. Кроме того, в данном случае кри- сталлизация наплавляемого материала начинается от поверхности изделия, обеспеивая тем самым повышение прочности переходного слоя, что в конечном итоге приводит к повышению долговечности изелия, работающего в условиях длительного бразивного воздействия.

Модифицирование же усиливает все тих процессы, поскольку обеспечивает бъемную кристаллизацию наплавляемого атериала, так как в данном случае резко величивается число центров кристаллизаии. Обеспечивается резкое измельчение труктуры, повышение качества наплавляеого материала, повышение изотропности.

Работоспособность такого изделия значительно выше.

Новое конструктивное выполнение 5 внутренней поверхности кристаллизатора в виде плоскопараллельных ломаных поверхностей приводит к тому, что после первых (нескольких) часов эксплуатации, профиль изделия приближается по своей геометрии

0 к клотоиде, которая, как известно, обеспечивает максимальную износостойкость, а следовательно, долговечность. Переход от ломаной кривой к клотоиде становится возможным в связи с тем, что описанный в

5 вышеприведенном способе процесс кристаллизации, приводит к оттеснению на поверхность наплавленного слоя шлаков и других нежелательных компонентов расплава, ухудшающих физико-механические

0 характеристики. В целом же поверхностный тонкий слой наплавленных объемов обладает пониженным сопротивлением абразивному изнашиванию и удаляется в первый период эксплуатации наплавленного изде5 лия. После снятия верхнего тонкого слоя в контакт с абразивом вступает металл, который обладает всеми повышенными свойствами, описанными выше.

Выбранный диапазон углов между па0 раллельной и наклонной плоскостями внутренней поверхности кристаллизатора, соответствующий углам между поверхностями наклонной части кристаллизатора и наплавляемого изделия, объясняется следу5 ющим образом: угол менее 15° не обеспечивает профиля изделия, близкого по своей геометрии к клотоиде, которая, как известно, обеспечивает максимальную износостойкость изделия, а следовательно, долговечность. Пре0 вышениежеугла выше 20° приводит к быстрому износу металла не дает требуемых характеристик по долговечности.

В табл.2 приведены данные по исследованию износа наплавляемого шнека пресса

5 ПВШ-500 в зависимости от геометрии наплавленного слоя для разных углов между наклонной частью кристаллизатора и рабочей поверхностью пера шнека.

0 Повышенный темп износа в первые часы эксплуатации объясняется недостаточно высоким качеством металла наплавки, сформированного в завершающий период кристаллизации. При угле 13°, учитывая, что

5 исходная толщина пера (без наплавки) 22 мм, видно, что запредельные значения рассматриваемого угла приводят к повышенному темпу износа наплавленного слоя, который уже в начальный период эксплуатации становится параллельным исходной поверхности. При использовании оптимума

значений (15-20°) обеспечивается клотои- дальная геометрия нормального сечения пара в зоне наплавки, которая приводит к пониженному темпу износа,

Указанная цель достигается тем, что в состав сплава, содержащий кремний, марганец, хром, титан, остальное - железо, дополнительно введены следующие компоненты: бор, ниобий, цирконий при следующем соотношении, вес.%:

С0,7-2,5

SI0,5-2,0

Mr.0,03-1,5

Сг14-25

Ti0,1-5,0

В0,5-5.0

Nb0,002-0.2

Zr0,002-0,2

Feост.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявленный состав отличается тем, что в него введены новые компоненты, а именно, бор, ниобий, цирконий, а кроме того, состав отличается количественным содержанием компонентов.

Введение дополнительно таких элементов, как бор, цирконий, ниобий в совокупности с известными элементами наряду с измельчением структурных составляющих и созданием в структуре сложных карбобори- дов, которые отличаются коллоидальной дисперсностью и равномерно распределены в твердом растворе и в более крупных карбидах хрома и марганца и, имеющих к тому же, когерентную или полукогерентную связь с основой, обеспечивает получение одновременно высокой прочности и пластичности, а также высокой абразивной износостойкости.

Однако недостатком этих сплавов является либо низкая пластичность и абразивная износостойкость, либо то, что они очень дорогостоящи за счет высокого содержания ценных легирующих элементов.

При содержании углерода мене 0,7% резко уменьшается износостойкость из-за большой части ферритной основы в матрице.

При содержании углерода выше 2,5% наблюдается резкое охрупчивание и потеря долговечности.

Введение кремния до 0,5% не имеет существенного влияния на свойства заявленного состава наплавляемого материала, а концентрация свыше 2,0% снижает вязкость твердого раствора, способствует графитиза- ции, что снижает свойства материала, особенно относительный износ.

Содержание марганца менее 0,03% не имеет влияния на структуру и свойства материала, а превышение выше 1,5% способствует охрупчиванию и снижает износостойкость.

При содержании хрома менее 14% в

структуре сплава ведущей фазой становится легированный цементит, что сильно снижает прочность и пластичность. Содержание хрома выше 25% способствует образованию матрицы, состоящей из феррита, карбидов типа М23С6, что также значительно ухудшает механические свойства материала, наплавляемого на изнашиваемые поверхности.

Введение дополнительно бора способствует упрочнению карбидной и карбобо- ридной фаз и при добавке бора менее 0,5% не оказывает заметного влияния на изменение свойств наплавки, а при превышении содержания этого элемента 5% существенно снижается пластичность.

Введение титана менее 0,1 % не обеспечивает желаемого уровня механических свойств материала. Превышение 5% приводит к потере пластичности.

Введение дополнительно циркония и ниобия, благодаря тому, что цирконий, например, имеет самое большое сродство к С, N, Оа приводит к возрастанию энтропийного фактора в многокомпонентном расплаве,

обеспечивает динамичную кристаллизацию с получением высокой концентрационной структурной однородности в макрообъемах сплава, и в результате изотропных механических характеристик такой состав материала отличается высокой прочностью, абразивной износостойкостью и одновременно пластичностью. Последнее обусловле- -но очисткой границ зерен от нежелательных включений при измельчении зерна и субзерна, высокой долей когерентности межфазных границ и, следовательно, отсутствием концентраторов напряжений.

Автоматическая наплавка материала на изнашиваемую поверхность шнека осуществлялась на торцевой элемент шнека ПТВ-450. В качестве наплавочного материала использовалась порошковая проволока ПП-АН-170М. Проволока подавалась в полость, образованную внутренней поверхностью кристаллизатора и поверхностью изделия. Одновременно с подачей в зону кристаллизации проволоки осуществляли подачу модифицирующей смеси типа МС и осуществляли электрошлаковый процесс. Скорость вращения изделия в

установившемся режиме определяется скоростью наполнения ванны и скоростью процесса кристаллизации.

Анализ характеристик заявляемых составов сплава показывает, что заявленный

состав имеет достаточно высокие физико- механические свойства.

Экономический эффект его обеспечивается широким применением состава наплавляемого материала для большого ассортимента изделий, работающих в условиях абразивного изнашивания при сущест- венном увеличении срока службы, снижении трудозатрат.

Примеры конкретного выполнения: составы наплавленного металла приведены в табл.3.

Таким образом, из таблицы видно, что заявленный состав материала обладает в 2 раза большей абразивной износостойкостью по сравнению с прототипом, при этом твердость его на 11 % выше.

Применение предлагаемого материала не требует расхода дефицитных компонентов, а его использование - дополнительных капитальных затрат.

На фиг.1 представлена схема устройства для автоматической наплавки изнашиваемых поверхностей изделий, преимущественно типа шнек; на фиг.2 - разрез кристаллизатора, охватывающий наплавляемую поверхность изделия в диаметральной плоскости,4 на фиг.З - вертикальный разрез кристаллизатора в рабочем положении.

Устройство содержит станину 1, привод вращения изделия 2, сварочную головку 3 с гибким стволом 4 для подачи проволоки и кристаллизатор 5, выполненный в виде основания, под углом к которому расположены две его части 6 и 7, при этом часть кристаллизатора 6 выполнена подвижной и закреплена на пружинах 8. Поверхность основания кристаллизатора 5, прилегающая к торцевой поверхности изделия, имеет сложную форму, представляющую собой поверхность цилиндра, сопряженную с плоскостью, наклоненной к касательной под углом не мене 30° (см. фиг.З}. Внутренняя рабочая поверхность (полость) 5 кристаллизатора 5 выполнена в виде плоскопараллельных ломаных плоскостей, состоящих из участков, параллельных и наклонных к поверхности изделия плоскостей с углом 15-20° между ними. Кристаллизатор 5 через узел коррекции 9 закреплен на тележке 10, свободно перемещающейся по направляющей 11, которая закреплена на подвижной части суппорта поперечной передачи 12, Суппорт 12 закреплен на верхней части 13 основания 14. Охлаждающее устройство 15 выполнено с возможностью контакта с поверхностью наплавляемого материала. Оно жестко прикреплено к кристаллизатору 5 и может быть выполнено в виде роликов или плоских пластин из меди с водяным охлаждением. Охлаждающее устройство 15 имеет развитую поверхность контакта с поверхностью изделия. Бункер 16, служащий для хранения и 5 подачи модифицирующей смеси в зону расплава, прикреплен к станине 2 и расположен над кристаллизатором 5 таким образом, Что наплавочная проволока располагается на оси бункера 16.

0 Устройство работает следующим образом: изделие базируется по технической оси во вращателе 2. При наплавке цилиндрических изделий направляющая 11 устанавливается параллельно оси изделия, а при 5 наплавке конических - поворачивается на необходимый угол. Кристаллизатор 5 поперечной подачей суппорта 12 подводится в зацеплении с боковыми поверхностями изделия. Узел коррекции 9 сориентирован на 0 тот участок изделия, который не изменяется в процессе эксплуатации, Применительно к шнеку, например, этот участок находится вблизи ножки пера. Бункер 16 обеспечивает необходимый вылет и подачу проволоки и 5 геометрическую середину пространства, образованного поверхностью изделия, основанием и боковыми частями 6 и 7 кристаллизатора. Для начала процесса нижняя часть пространства закрывается пластиной, засы- 0 лается сварочный флюс, включается источник питания сварочной головки 3, по гибкому стволу 4 проволока подается в полость 5 кристаллизатора 5 и воспроизводится электрошлаковый процесс. Одновременно начинается 5 подача модифицирующей смеси из бункера 16 в полость 5 кристаллизатора. При заполнении полости кристаллизатора 5 жидким металлом включается привод вращения изделия 2. боковое усилие которого на узел коррекции 0 9 используется для перемещения кристаллизатора 5 с тележкой 10 по направляющей 11. Подпружиненная подвижная часть 6 кристаллизатора 5 обеспечивает удерживание расплава. Скорость вращения изделия 5 в установившемся режиме равна скорости наполнения полости 5 кристаллизатора 5 расплавом (см. фиг.З) и определяется скоростью кристаллизации наплавляемого материала.

0 Угол наклона плоскости в случае, например, наплавки изделия типа шнек, сопряженной с цилиндрической поверхностью основания кристаллизатора 5, должен быть не менее 30°. Он рассчитан и технологиче- 5 ски подтвержден стабильностью надежного возбуждения процесса наплавки на дне кристаллизатора с закладной детали и необходимостью визуального и автоматического контроля уровня шлаковой ванны при установившемся режиме.

Высота рабочей поверхности 5 кристаллизатора 5 равна 3-4 высотам столба расплавленного металла и определяется из следующих соображений: уменьшение высоты до величины менее 3 высот столба расплава не позволяет увеличить скорость проведения операции, связанной с повышением динамики кристаллизации расплава, а превышение высоты более 4 высот столба расплава приводит к усложнению конструкции. Для охлаждения кристаллизатора 5 и охлаждающего устройства 15, установленного с возможностью контакта с поверхность-ю изделия, выполнены два самостоятельных канала (на фиг.2 показаны, но не обозначены) подачи охлаждающей жидкости, снабженные устройствами для регулирования интенсивности подачи (на рис. не показаны), посредством которых интенсивность подачи регулируется таким образом, чтобы температура изделия была ниже, чем температура кристаллизатора 5, не менее чем на 50°С. Такой перепад температуры обеспечит направленную кристаллизацию, начинающуюся от поверхности изделия.

Заявленный способ осуществляется при помощи описанного устройства следующим образом.

Изделие закрепляют в центрах устройства автоматической наплавки и после предварительной настройки, которая включает в себя приведение в контакт с изделием охлаждающего устройства, установку кристаллизатора, подвод по гибкому стволу к зоне расплава наплавочного электрода и трубки бункера с модификатором, приводит во вращение. Путем регулирования интенсивности подачи охлаждающего средства, например воды, в охлаждающее устройство, обеспечивают понижение температуры наплавляемого изделия в зоне наплавки до температуры на 50°С и ниже по сравнению с температурой кристаллизатора. После чего засыпают сварочный флюс, включают источник питания и воспроизводят электрошлаковый процесс. Одновременно с наплавкой осуществляют подачу модифицирующей смеси из бункера с модификатором в зону кристаллизации.

Градиент температур изделия и кристаллизатора 50°С и ниже выбран из следующих соображений: температура расплава в зоне наплавки составляет 1700-1900°С, ликвидус предложенного наплавляемого материала составляет 1480-1550°С в зависимости от содержания углерода; температура кристаллизатора устанавливается на уровне 150-200°С, а температура изделия соответственно 100°С и/или ниже. Из соотношения представленных температур видно, что градиент температур между поверхностью наплавляемой детали и расплавом составляет не менее 1600°С, при этом переохлаждение - не менее 1380°С; соответственно по отношению к кристаллизатору этот градиент составляет 1550°С и 1230°С. При таком соотношении градиентов преимущественный рост дендритов и перемещение

0 фронта кристаллизации осуществляется от поверхности изделия и охватывает не менее 90% толщины наплавленного слоя.

Подача модифицирующей смеси в зону кристаллизации увеличивает динамику про5 цесса кристаллизации и обеспечивает получение более тонкой дендритной и зеренной структуры.

Формула изобретения

1. Способ автоматической наплавки из0 нашиваемых поверхностей изделий преимущественно типа шнек, при котором изделие помещают в полость кристаллизатора, вращают его вокруг продольной оси и производят наплавку, отличающийся

5 тем, что, с целью повышения производительности процесса и увеличения долговечности изделий путем улучшения динамики кристаллизации наплавленного металла, изделие предварительно охлаждают до

0 температуры не мене, чем на 50°С ниже температуры кристаллизатора и поддерживают перепад температур в течение процесса наплавки изделия при одновременном модифицировании наплавленного материа5 ла.

2. Устройство для автоматической наплавки изнашиваемых поверхностей изделий типа шнек, содержащее станину, привод вращения изделия, сварочную голо0 вку и кристаллизатор, выполненный в виде основания с двумя стенками, внутренние поверхности которых эквидистантны друг другу и расположены наклонно к поверхности основания, при этом одна из стенок вы5 полнена подвижной, отличающееся тем, что, с целью повышения производительности процесса и увеличения долговечности изделия путем улучшения динамики кристаллизации наплавленного металла,

0 оно снабжено охлаждающим устройством для контакта с изделием и бункером для модифицирующей смеси, при этом внутренние поверхности стенок кристаллизатора выполнены с дополнительными участками,

5 перпендикулярными основанию, а угол между наклонными и перпендикулярными участками составляет 15-20°С.

3. Состав наплавленного материала, включающий углерод, кремний, марганец, хром, титан, железо, отличающийся

тем, что, с целью повышения долговечности изделий типа шнек путем увеличения износостойкости наплавленного металла, он дополнительно содержит бор, ниобий, цирконий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод

0.7 - 2,5;

0.5 - 2,0; 0.03- 1,5; 14 - 25; 0,1 -5,0: 0.5 - 5,0; 0,002 - 0,2; 0.002 -0,2; Остальное.

) В знаменателе - темп износа, мм/ч.

Таблица1 Ч

Таблица 2

Таблица 3

Jfl

жидкость

/ / ///// / / / 7 / /Si

А

/ У /////777 //777

фьг.З

Составитель Ю. Новомейский Техред М.МоргенталКорректор О. Густи

Редактор О. Стенина

Заказ 1735Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб ., 4/5

I Технологии ескар ось

и&елые