Способ упрочнения стальных деталей

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик К АВТОРСКОМУ СВЙДЕТЕЛЬСТВУ(61) Дополнительное к авт. свид-ву(22) Заявлено 1501 В 1 (21) 3235205/22-02с присоединением заявки Мо -(23) ПриоритетОпубликовано 301082, Бюллетень Мо 40Дата опубликования описания 311082 1511 М. Кп. С 21 0 1/78 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(54) СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ Изобретение относится к технике упрочнения путем наплавки изделий машиностроения любой конфигурации, подвергающихся усталостному нагружению, износу и коррозии, Судовое машиностроение и химическое оборудование - основные области применения предлагаемого способа.Известен способ поверхностного упрочнения стальных деталей нанесением карбидов металла наплавкой при помощи электродов или проволоки. Упрочнение достигается эа счет расплавления слоя, содержащего 60 карбидов металла и 40% малоуглеродистой стали, и последующей термической обработки деталей для обеспечения абразивной твердой поверхности 1.Недостатком указанного способа является повышенная склонность слоя к хрупким разрушениям из-за низкой ударной вязкости наплавленного металла, необходимость дополнительного оборудования для проведения термической обработки, нетехнологичность процес са.Известен способ упрочнения изделий наплавкой металлопокрытий аустенитного или устенитно-ферритного класса с целью защиты стальных из делий от коррозии в агрессивных сре- дах и обеспечения необходимых антифрикционных свойств на их поверхности. Упрочнение достигается за счет уменьшения проплавления металла иэделия путем применения способа наплавки сжатой дугой с токоведущей присадочной проволокой как на прямой, так и на обратной полярности 21.Недостатком способа является ограниченность из-за отсутствия оборудования и невозможность использования положительных свойств, напри" мер прочности металла изделия, поскольку исключается диффузия легирующих элементов металла иэделия в йаплавленный из-эа малой степени проплавления. Так, усталостная прочность образцов из Ст 35 и 38 НЗМФА, наплавленных сжатой дугой проволокой СвХ 19 Н 11 МЗ, независимо от марки основного металла составляет 14 51Р 15,5 кгс/ммИзвестен способ обработки валов из стали перлитного класса, включающий наплавку первого слоя проволокой марки СвХ 20 Н 10 Г 6 или СвХ 20 Н 9 Г 7 Т в сочетании с флюсом АН, наплавку последующего слоя той же проволокой или проволокой марки СвХ 18 Н 9 Т, 969757Первый слой наплавляют с целью исключения образования трещин, второйс целью защиты вала от коррозии. После окончательной механической обработки производят обкатку валов роликами с целью повышения усталостной прочности вала (3 3.Способ не обеспечивает достаточное повышение коррозионно-усталостной прочности валов.Наиболее близким по технической О сущности и достигаемому результату к предлагаемому является способ упрочнения металлопокрытий, заключающийся в том, что металлопокрытие аустенитного класса, наносимое нап лавкой, подвергается сначала термомеханической обработке, а затем с целью повышения износостойкости и усталостной прочности дополнительной термообработке в виде высокого отпуска, поверхностной закалки и низкого отпуска (4 3.Недостатком известного способа является необходимость для каждого конкретного иэделия специально спроектированного и изготовленного приспособления для деформирования наплавленного металла и системы охлаждения, дающей возможность получить регламентированный режим термообработки, Укаэанный способ упрочнения металлопокрытий не всегда может обеспечить повышение усталостной прочности, например в коррозионной среде эффект упрочнения указанной термообработкой будет сведен к минимуму 35 для материала покрытий иэ некорроэионностойких сталей. Для корроэионностойких сталей, например для системы хромоникелевых сталей 25-12, укаэанная термообработка (например, 40 в период проведения высокого отпуска) может резко снизить физико-механические свойства металлопокрытий (вызвать процесс охрупчивания, сигматизацию). 45Цель изобретения - повышение конструктивной прочности стальных изделий.Поставленная цель достигается тем, что согласно способу упрочнения стальных деталей, преимуществен- . но валов, включающему электродуговую наплавку металлопокрытий из стали аустенитного класса и термическую обработку, металлопокрытие после наплавки охлаждают со скоростью, равной или выше критической скорости основного металла, затем наплавляют слой материала аустенитно-ферритного класса с содержанием феррита 8-20 и закаливают его на 60 феррит игольчатый.Сущность способа заключается в следующем. В качестве присадочных материалов при электродуговой наплавке выбирают сварочную проволоку аустенитного и аустенитно-ферритного классов, обладающих высокой коррозионной стойкостью. Первый слой наплавляется аустенитным материаломс достаточным запасом аустенитности (содержание феррита в пределах 0-.4).При наплавке происходит перемешивание наплавленного первого слоя металлопокрытий с основным металлом - сталью перлитного класса и процесс реактивной диффузии углерода и легирующих элементов основного металла в наплавленный. Это позволяет в случае проведения закалки такого наплавленного слоя со скоростью, равной или выше критической для основного металла, получить структуру малоуглеродистого мартенсита с пластичными участками структуры аустенита. С целью упрощения термической обработки, в частности устранения дополнительного оборудования для термической обработки, используется сопутствующий нагрев металло- покрытия при наплавке, т,е. закалка производится сразу же после нап" лавки без какого-либо дополнительного нагрева металлопокрытия.После закалки на металлопокрытиенаносят второй слой направленногоматериала аустенитно-ферритного класса с содержанием феррита 8-20 ипроводят термообработку, напримерзакалку со скоростью охлаждения нениже 30 С/с в интервале температур600-750 С, используя сопутствующий нагрев при наплавке уже второго слоя наплавленного металла. Такая термическая обработка обеспечивает образование структуры повышенной прочности - игольчатого феррита в высокопластичной матрице аустенита, Содержание феррита в наплавляемых материалах аустенитно-ферритного класса обусловлено тем, что нижний предел 8 гарантирует в наплавленном металле отсутствие горячих трещин, верхний предел 20 - максимальную усталостную прочность наплавленного металла.В результате сочетания присадочных материалов и термической обработки при наплавке достигается необходимое чередование структурных зон, гарантирующих отсутствие гальванического элемента биметаллической пары, вызывающей коррозию и наличие напряжений сжатия, обеспечивающих защиту от усталостных разрушений, износа и коррозии.П р и м е р. Валы из стали перлитного класса 38 ХНЗМФА диаметром 45 и длиной 590 мм, термообработанные на категорию прочности КТ, наплавляются автоматическим электродуговым способом под слоем флюса 48-ОФприсадочной проволокой аустенитного класса СвХ 1910 Г 2 Б диаметром 2,0 мми содержанием феррита 1,5. На 969757плавка производится при подогреве вала до 200 ОС по винтовой линии (для сталей другого класса подогрев не обязателен, он определяется технологией сварки или наплавки) с обеспечением по всей длине вала толщины 5 наплавки первого слоя до 2,0 мм и степенью проплавления с оснонным металлом 0,60 мм.Используя сопутствующий нагрев металлопокрытия при наплавке, наплавленный слой для данной стали закаливается автоматически при охлаждении его на воздухе до 60-100 С, что обеспечивается скоростью охлаждения металлопокрытия выше критической скорости закалки металла (скорость охлаждения металлопокрытия на воздухе составляла 3 С/с, критическая скорость закалки основного металла - 2 С/с).После закалки на металлопокрытие наплавляется второй слой присадочного материала - сварочная проволока аустенитно-Ферритного класса СвХ 19 Н 9 Ф 2 С 2 диаметром 2,0 мм и содержанием феррита 12. Наплаэка второго слоя выполняется без подогрева, а с. целью получения структуры игольчатого феррита термическую обработку производят, используя сопутствующий подогрев при наплавке 30 второго слоя. В качестве термической обработки применяют закалку (охлаждение наплавленного слоя в потоке 2 ,воздуха под давлением 3,5 кгс/см что обеспечивает необходимую скорость 35 ЗООС/с н интервале температур 600- 750 С).В результате такого сочетания присадочных материалов и видов термической обработки достигается положительный эфФект - напряжение сжатия в плайирующем слое и, как следствие, упрочнение металлопокрытия от коррозионно-усталостного разрушения и износа.Перед испытанием валы подвергаются механической обработке (шероховатость поверхности - б класс), дефектоскопируются люминесцентным и ультразвуковым методом и лишь при отсутствии внутренних и поверхност ных.дефектов поступают на коррозионно-усталостные испытания (серия 1) и металлофизические исследования.Испытания на усталость проводятся при напряжениях 18 кгс/мм в об ласти ограниченной выносливости на базе 5 10 циклов по схеме знакопеременного изгиба с симметричным циклом нагружения на машине УПконструкции ЦНИИТМАШ. В качестве коррозионной среды используется проточная синтетическая вода.Для сравнения испытывают валы из стали 38 ХНЗМФЛ, наплавленные аустенитно-ферритным материаломСвХ 19 НХФ 2 С 2 и упрочненные поверхностно-пластической деформацией (обработка роликами диаметром 120 мми усилием на ролики 1500 кгс), согласно действующей технологическойдокументацией в отрасли (серия 2),валы из основного металла без металлопокрытия (серия 3)а такжевалы, наплавленные аустенитным материалом и обработанные по способупрототипу (серия 4).В качестве наплавленного металлаиспользуют проволоку Св 10 Х 16 Н 25 Мбф.Механические свойстна наплавленного металла Ьн =70 кгс/мм 2;6=52 кгс/мм,Содержание феррита в напланленномметалле составляет 0, что гарантг рует отсутствие о-фазы при многократной термообработке. После наплавки и снятия защитного слоя Флюса,механического сглаживания валиковнаплавки на токарном станке вал подвергается термомеханической обработке: газоплаэменному нагреву до800-330 С, обкатке роликами и закалке углекислым газом (температураохлаждающей струи -12 С). Степеньодеформации наплавленного металла 12.Далее образцы отпускают при 500 ОСн течение 1 ч в камерной электропечи, затем вновь закаливают с температуры 950 ОС и.отпускают при 180 Св течение 2 ч. После окончательной механической обработки проводят усталостные испытания.В каждой серии испытывают йо 5 образцов. Результаты испытаний (средние в серии) представлены в таблице,Из данных таблицы нидно, что коррозионно-усталостная прочность образцов с металлопокрытием, упрочненных по предлагаемому способу, в три раза выше, чем образцов, упрочненных поверхностно-пластической деформацией, и более чем в дна раза выше, чем образцов, обработанных по спосо" бу-прототипу.Для исследования остаточных напряжений по сечению образцов использован метод Давиденкона, согласно которому производится послойная расточка вала, замер деформаций после расточки и расчет напряжений. При определении деформаций применяют метод тенэометриронания.Исследования выполнены на образцах серии 1 и 2, для сравнения анализируются образцы серии 2 без поверхностно-пластической деформации. Выполненные исследования показывают, что в образцах серии 2 в наплавленном металле и зоне термического влияния формируются остаточные напряжения растяжения. Максимум приходится в зоне термического влияния у линии спланления и на поверхности наплавления металла (до 40 кгс/мм ).2В образцах серии 1 наплавленный слой и часть эоны термического влияния оказываются сжатыми до 10 кгс/мм,969757 а максимальные остаточные напряжения сжатия зафиксированы по линии сплавления (до 20 кгс/мм).В образцах серии 2 в слое металло- покрытия также отмечаются напряжения сжатия (до 8 кгс/мм), однако в зо нах термического влияния и перемешивания напряжения растяжения сохраняются, хотя абсолютная величина их уменьшена до 20 кгс/мм в сравнении с теми же образцами без поверхност но-пластической деформации. 1 аким: образом, не только по коррозионно-,усталостным испытаниям, но и по характеру распределения остаточных йапряжений наиболее благоприятная картина отмечается на образцах, упрочненных по предлагаемому способу.Внедрение предлагаемого способа упрочнения расширяет возможность применения наплавленных изделий и повышает их эксплуатационные возможности. Экономическая эффективность от внедрения способа только на одном предприятии отрасли составит около 30,0 тысруб. в годСерия образ Микрострукт а металло- покрытия Количеств циклов до разрушени Способ упроч- нения Твердость и содержание с-Фазы в ме- теллокострук- ции НУ ,кгс/мм 320-340 12 3,1 По диниисплавленияаустенит +мартенсит;в поверхносном слое аутенит +феррит иголчатый едлагаемый 340-36012-16 Поверхностное пластическоедеформирование(ППД) По линии сплавления и н поверх ностном слое аусте кит+феррит дендритообразный мартенсит деформации Без метал- лопокрытия лучшение 2 1 Лустенит карбиды,По прототип мартенсиотпуска 0 1,5 10 294-31 щий элек покрытий и термич 65 чаюц формула изобретения деталючаю Способ упрочнения стальныей, преимушественно валов-380 6-10 1,1 10 родуговую наплавку металлоиз стали аустенитного класса скую обработку, о т л и й с я тем, что, с цельюЗаказ 8317/29 Тираж 587 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений И открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5Филиал ППП "Патент", г, Ужгород, ул. Проектная, 4 повышения конструктивной прочностидеталей, металлопокрытие после наплавки охлаждают со скоростью; равной или выше критической основногометалла, затем наплавляют слойметариала аустенитно-ферритного класса с содержанием феррита 8-20 и закаливают его на феррит иголь-,чатый,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе