Способ автоматической наплавки изнашиваемых поверхностей изделий, устройство для его осуществления и состав наплавленного материала

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 181774 В 23 К 9/04, 35/30 ИСАНИ АТЕ Н инженерно-техничелению и упрочнению змов СО АН СССР .Д.Новомейский ин ьство СССР04, 06,12,85.нт ГДР М 210534,ство СССР/30, 06.07,83.ство СССР ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТВЕДОМСТВО СССРГОСПАТЕНТ СССР)(21) 4919653/08 (22) 18.01.91 (46) 23,05.93. Бюл. М 19 (71) Республиканский ский центр по восстанов деталей машин и механи (72) Л,В.Булгина, Ю Н,Н,Рыжов и Б.И.Трошк (73) Б.И,Трошкин (56) Авторское свидетел ЬЬ 1368125, кл. В 23 К 9/Экономический пате кл. В 23 К 35/30, 1984.Авторское свидетел В 1232445, кл. В 23 К 35Авторское свидетел М 1680459, кл. ОБРЕТЕНИЯ 2 (54) СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОЙ НАПЛАВКИ ИЗНАШИВАЕМЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ИЗДЕЛИЙ, УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ И СОСТАВ НАПЛАВЛЕННОГО МАТЕРИАЛА (57) Использование изготовление, ремонт шнеков, лопастей и других деталей, подвергаемых абразивному изнашиванию. Сущность изобретения; изделие помещают в полость кристаллизатора, вращают вокруг продольной оси производят наплавку, предварительно изделие охлаждают до температуры не менее чем на 50 С ниже температуры кристаллизэтора и поддерживают перепад темп ературы в течение всего процесса наплавки. Одновременно производят модифицироваеталла. Устройство для З1817741 осуществления способа содержит станину, привод вращения изделия, сварочную головку и кристаллиээтор 5, выполненный в виде основания со стенками 6 и 7, внутренние поверхности которых эквидистантны друг другу: и расположены наклонно к поверхности основания. Одна из стенок 6 выполнена йодвижной. Внутренние поверхности стенок кристаллизаторэ выполнены с дополнительными учжтке. ми, перпендикулярными основанию. Угол между наклонными и перпендикулярными учаИзобретение относится к промышленности строительных материалов и может быть использовано при изготовлении и ремонте шнеков и других деталей. ецрергэемых абразивному изнавиванию, в химевскай, горнорудной, машиностроительной отраслях производства.Цель изобретения - повйаеиив проиа-. водительности роцесеэ и увеличение дюяговечности изделия путем новмеиия ДИНЭМеИКИ КРИстеаВЗЭРЕ, Указанная цэйь двстигэетв тм, ч виттвитти т ити ееив веет ие. втев т птт ива вокруг его раЕльиэй еви и ИЕмваат в о лость ристаялизецв. йр этаа ебрабвтыит и т.тат т,и,е, трех сторон, Ьековмв чести криетээлизвтетепаиа тепаапие ром, В образевэвувсэ пеаееть между изделием и поверхиетями кристэээизэто. ра подают нэяэвляемый материал. р этом ристаллизвторпэрвЭцвют ееризоитэльном нэпрвлении вдоль обрабатываемого изделия,Новым в заявленном способе является то, что обрабатываемую поверхность издеп лия предварительно.охлаждают до темпера туры ниже температурыкристаллизатора не менее чем на 50 фС. Такой перепад темпера:туры обеспечивает неправленную 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 наплэвляемого слоя от градиента температур. Наряду с этим увеличение массы подложки (масса нэплэвляемого материала значительно больше массы кристаллизэтора) ведет к увеличению скорости роста дендристками 15-20. Наплэвленный металл имеет следующий состав, мэс.: углерод 0,7-2,5,кремний 0,5 - 2,0, марганец 0,03-1,5, хром 14- 25, титан 0,1-5,0, бор 0,5-5,0, ниобий 0,002-0,2, цирконий О,002-0,2, мелеэо - остальное. Изобретение позволяет повысить производительность процесса наплавки изнашиваемых поверхностей изделий и увеличить их долговечность за счет улучшения динамики кристаллизации расплавленного металла. 3 с.п. фалы,3 ил., 3 табл. тов, уменьшая тем самым ийтервал кристаллизаци, что позволяет увеличить скорость нэплавки, а следовательно, повысить производительность труда. Кроме этого, новым,в авявленном решении является то, что одновременно с нэплевкой в зону кристаллизации вава мдиФицируюцую смесь, что ярещфт к обьемнбй кристэллизэции при. высокой динамике процесса, еследетвие чв 10 го евыаэвеся произведтеаьнесть труда. Креме тее, при введении мщрФицирующейемэси в Зону йэлэек просхюдит измельче ив зерне и еубзврна, роиохдит о юа грэииц верее от нежелательных включений.16 Резке везрветает едноредность по концентрвци и. структуре в обьвмв наплавленного саоя. Метеля становится изотропным. имеет баеве выеоуе и способствует увеличению долгоеечюсти концентра цв.Таким образом. заявленное техническое рещение можню квалиФицировать квккритерию "новизна", таккэк оно характеризуется совокупностью но вых действий (операции), именно: изделиеохлаждают доепределенного перепада температур; производят модифицирование наплэвляемогоматвриалэ; порядком выполнения действий. э именно: издюае предварительно 30 (перепад введением в зону кристаллизации)охлаждают, одновременно с наплавкой производят модифицирование; режим, а именно: изделие охлаждают до температуры на 50 Сниже температуры кристаллизатора.35 Указанная цель достигается тем, чтоустройство автоматической наплэвки иэнашиваемых поверхностей изделий, преимущественно типа шнек, содержит станину, привод вращения изделия, сварочную голо аку с гибким стволом для подачи проволокии кристэллиэатор, выполненный в виде основэния с двумя стенками внутренние поверхности которых эквидистантны друг другу и расположены наклонно к поверхно 1817741сти 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 О.Новая совокупность признаков позволила обеспечить более высокий результат при использовании изобретения, чем тот, который был получен от объекта-и рототипа, Так, охлаждающее устройство, установленное перед кристаллизатором и выполненное с возможностью контактирования его с обрабатываемой поверхностью иэделия, 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, обеспечивая тем самым повышение прочности переходного слоя, что в конечном итоге приводит к повышению долговечности изделия, работающего в условиях длительного абразивного воздействия.Модифицирование же усиливает все этих процессы, поскольку обеспечивает объемную кристаллизацию наплавляемого материала, так как в данном случае резко увеличивается число центров кристаллизации. ОбеспечиваетСя резкое измельчение структуры, повышение качества наплавляемого материала, повышение изотропности, Работоспособность такого изделия значительно выше.Новое конструктивное выполнение внутренней поверхности кристаллиэатора в виде плоскопараллельных ломаных поверхностей приводит к тому, что после первых нескольких) часов эксплуатации, профиль изделия приближается по своей геометрии 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 вышеприведенном способе процесс кристаллизации, приводит к оттеснению на поверхность наплавленного слоя шлаков и других нежелательных компонентов расплава, ухудшающих физико-механические характеристики. В целом же поверхностный тонкий слой наплавленных.объемов обладает пониженным сопротивлением абразивному изнашиванию и удаляется в первый период эксплуатации наплавленного изделия. После снятия верхнего тонкого слоя в контакт с абразивом вступает металл, который обладает всеми повышенными свойствами, описанными выше.Выбранный диапазон углов между параллельной и наклонной плоскостями внут 5 10 15 20 25 30 ренней поверхности кристаллизатора,соответствующий углам между поверхностями наклонной части кристаллизатора и наплавляемого изделия, объясняется следующим образом: угол менее 15 не обеспечивает профиля изделия, близкого по своей геометрии к клотоиде,.которая, как известно,обеспечивает максимальную износостойкость изделия,аследовательно, долговечность. Превышение же угла выше 20 приводит к быстрому износу металла не дает требуемых характери 40 стик по долговечности.В табл.2 приведены данные по исследованию износа наплавляемого шнека пресса ПВШв зависимости от геометрии наплавленного слоя для разных углов между наклонной частью кристаллизатора и рабо 45 чей поверхностью пера шнека. 50 Повышенный темп износа в первые часы эксплуатации объясняется недостаточно высоким качеством металла наплавки, сформированного в завершающий период кристаллизации, При угле 13 О, учитывая, что исходная толщина пера (без иаплавки) 22 мм, видно, что запредельные значения рассматриваемого угла приводят к повышенному темпу износа наплавленного слоя,верхности, При использовании оптимума который уже в начальный период эксплуата-ции становится параллельным исходной по 1817741значений (15 - 20) обеспечивается клотоидальная 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, :С 0,7-2,5Я 0,5-2,0Мп 0,03 - 1,5Сг 14 - 25П 0,1-5,0В 0,5 - 5,0МЬ 0,002 - 0.2Ег 0,002 - 0,2Ре ост.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 карбоборидов, 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 графитизации, что снижает свойства материала, особенно относительный износ,Содержание марганца менее 0,03 не имеет влияния на структуру и свойства мате 20 25 30 35 40 45 50 55 5 10 15 риала, 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 М 23 Сб, что также значительно ухудшает механические свойства материала, наплавляемого на изнашиваемые поверхности.Введение дополнительно бора способствует упрочнению карбидной и карбоборидной 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, й, О 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 обусловлено очисткой границ зерен от нежелательных включений при измельчении зерна и субзерна, высокой долей когерентности межфазных границ и, следовательно, отсутствием концентраторов напряжений. Автоматическая наплавка материала наизнашиваемую поверхность шнека осуществлялась на торцевой элемент шнека ПШВ, В качестве наплавочного материала использовалась порошковая проволока ПП-АКМ. 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 заявленный10 15 20 25 30 35 40 45 50 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 существенном увеличении срока службы, снижении трудозатрат.г Примеры конкретного выполнения: составы наплэвленного металла приведены втабл.З,Таким образом, иэ таблицы видно, чтозаявленный состав материала обладает в 2раза большей абразивной износостойкостью по сравнению с прототипом, при этомтвердость его на 11 выше,Применение предлагаемого материалане требует расхода дефицитных компонентов, а его использование - дополнительныхкапитальных затрат.На фиг.1 представлена схема устройствадля автоматической наплавки изнашиваемыхповерхностей изделий, преимущественно типа шнек; на фиг.2 - разрез кристаллизатора,охватывающий наплавляемую поверхностьизделия в диаметральной плоскости; нафиг.З - вертикальный разрез кристаллизатора в рабочем положении,Устройство содержит станину 1, приводвращения изделия 2, сварочную головку 3 сгибким стволом 4 для подачи проволоки икристаллизатор 5, выполненный в виде основания, под углом к которому расположены две его части 6 и 7, при этом частькристаллизатора 6 выполнена подвижной изакреплена на пружинах 8. Поверхность основания кристаллизатора 5, прилегающая кторцевой 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 поверхностиизделия плоскостей с углом 15 - 20 междуними. Кристаллизатор 5 через узел коррекции 9 закреплен на тележке 10, свободноперемещающейся по направляющей 11, ко.торая закреплена на подвижной части суппорта поперечной передачи 12, Суппорт 12закреплен на верхней части 13 основания 14.Охлаждающее устройство 15 выполнено своэможностью контакта с поверхностью наплавляемого материала, Оно жестко прикреплено к кристаллизатору 5 и может бытьвыполнено в виде роликов или плоских пластин из меди с водяным охлаждением. Охлаждающее устройство 15 имеет развитую поверхность контакта с поверхностью иэделия. Бункер 16, служащий для хранения и 5 подачи модифицирующей смеси в зону расплава, прикреплен к станине 2 и расположеН над кристаллизатором 5 таким образом, Чтб наплавочная проволока располагается на оси бункера 16,Устройство работает следующим образом: изделие базируется по технической оси во вращателе 2, При наплавке цилиндрических изделий направляющая 11 устанавливается параллельно оси изделия. а при наплавке конических - поворачивается на необходимый угол. Кристаллизэтор 5 поперечной подачей суппорта 12 подводится в зацеплении с боковыми поверхностями изделия. Узел коррекции 9 сориентирован нэ 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 геометрическую середину пространства,образованного поверхностью изделия, основанием и боковыми частями 6 и 7 кристаллизатора. Для начала процесса нижняя часть пространства закрывается пластиной, засыпается сварочный флюс, включается источник питания сварочной головки 3, по гибкому стволу 4 проволока подается в полость 5 кристаллизатора 5 и воспроизводится электро- шлаковый процесс. Одновременно начинается 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 9 используется для перемещения кристаллизатора 5 с тележкой 10 по направляющей 11,Подпружиненная подвижная часть 6 кристаллизатора 5 обеспечивает удерживание расплава, Скорость вращения изделия в установившемся режиме равна скорости наполнения полости 5 кристаллизэтора 5" расплавом (см. фиг.З) и определяется скоростью кристаллизации наплавляемого материала.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 технологически подтвержден стабильностью надежногб возбуждения процесса наплавки на дне кристаллизатора с закладной детали и необходимостью визуального и автоматическогоконтроля уровня шлаковой ванны при установившемся режиме,1817741 12 5 10 15 20 25 30 45 50 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 кристаллиэатора 5 и охлаждающего устройства 15, установленного с возможностью контакта с поверхностью 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 настройкикоторая 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 иэделия и кристаллизатора 50 С и ниже выбран из следующих соображений: температура расплава в зоне наплавки составляет 1700 - 1900 ОС, 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 фронта кристаллизации осуществляется от поверхности изделия и охватывает не менее90 толщины наплавленного слоя. Подача модифицирующей смеси,в зону кристаллизации увеличивает динамику процесса кристаллизации и обеспечивает получение более тонкой дендритной и зеренной структуры.ф ор мул а изобретения 1, Способ автоматической наплавки изнашиваемых поверхностей изделий преимущественно типа шнек, при котором изделие помещают в полость кристаллизатора, вращают его вокруг продольной оси и производят наплавку, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения проиэводительности процесса и увеличения долговечности иэделий путем улучшения динамики кристаллизации наплавленного металла, изделие предварительно охлаждают до температуры не мене, чем на 50 С ниже температуры кристаллиэатора и поддерживают перепад температур в течение процесса наплавки иэделия при одновременноммодифицировании наплавленного материа 35 ла. 2. Устройство для автоматической наплавки изнашиваемых поверхностей изделий типа шнек, содержащее станину,привод вращения изделия, сварочную голо 40 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 выполнена подвижной, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения производительности процесса и увеличения долговечности изделия путем улучшения динамики кристаллизации наплавленного металла,оно снабжено охлаждающим устройством для контакта с изделием и бункером для модифицирующей смеси, при этом внутренние поверхности стенок кристаллизатора выполнены с дополнительными участками,перпендикулярными основанию, а угол между наклонными и перпендикулярными участками составляет 15 - 20 С.3, Состав наплавленного материала, включающий углерод, кремний, марганец, хром, титан, железо; о т л и ч а ю щ и й с я14 1817741 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.: 0,7 - 2,5; Углерод Таблиц 4 1 Таблица вблыцв Номерскор ф Г.Составитель Ю, Новомейскийедактор О, Стенина Техред М,Моргентал Корректор О, Густи енно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101 Прои каэ 1735 ВНИИПИ Тираж Подпи ударственного комитета по изобретениям и от 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4оецтиям при ГКНТ СССР