Спосіб зміцнення металевих поверхонь

Реферат: Спосіб зміцнення металевих поверхонь включає зачищення робочої поверхні підкладки з видаленням окалини і нашарувань, формування на підкладці високоміцного шару металу шляхом наплавлення за допомогою газового або електродугового зварювання. Підкладці надають форму готового виробу. Після зачищення і видалення з поверхні окалини і нашарувань здійснюють наплавлення на підкладку високоміцного металу. Послідовно формують суміжно розташовані шари розплаву високоміцного металу на поверхні підкладки. При формуванні кожного шару розплаву високоміцного металу формують зону дифузії. Здійснюють охолодження нанесеного шару металу та підкладки. UA 77010 U (12) UA 77010 U UA 77010 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до різних галузей промисловості, там де необхідний захист металевих поверхонь від тривалого впливу абразивних матеріалів, де характер взаємодії з контактною поверхнею носить ударний характер або пов'язаний з тертям у сухому або вологому середовищі. Кращим є використання корисної моделі у гірничодобувній і гірничо-переробній промисловості, де корисна модель може бути використана для зміцнення металевої поверхні конструктивних елементів механізмів, що взаємодіють в абразивною рудною масою, що витягається з масиву після проведення підривних робіт. Крім того, спосіб зміцнення може бути використаний у гірничозбагачувальному циклі, де необхідне зміцнення металевих елементів механізмів твердосплавними наплавами для протистояння поступовому стиранню під впливом, як правило, двофазного середовища, що представляє собою технологічну воду зі здрібненими мінеральними частками у різних співвідношеннях та широкого діапазону гранулометричного складу з високим вмістом кварцовмісної складової, що забезпечує високу інтенсивність стирання металу устаткування і лотків, по яких рухається пульпа. Відомий спосіб зміцнення металевих поверхонь (Патент Росії № 2058217, B22D19/00, номер заявки № 93029059/02, дата подачі заявки 10.06.1993). Відомий винахід відноситься до способів наплавлення антифрикційних матеріалів на високоміцні, тугоплавкі заготівки із чорних металів. При введенні в експлуатацію відомого способу складно забезпечити необхідний рівень механізації робіт у крупносерійному виробництві. Велика кількість технологічних процесів і операцій по підготовці і складанню тугоплавкої заготівки до наплавлення вимагає значних витрат ручної праці і важко піддається механізації, що особливо необхідно в умовах крупносерійного виробництва. Реалізація способу забезпечується за рахунок того, що на очищені і підготовлені поверхні попередньо наносять модифікуючий сплав. Нагрівання тугоплавкої біметалічної заготівки ведуть до оплавлення модифікуючого сплаву, після чого заготівку і нагрітий до температур пластичності метал, що наплавляється поміщають у матрицю штампа і обпресовують при порівняно невисоких температурах і тиску. Відомий технологічний процес складається з наступних основних етапів: 1. Штампування тугоплавкої заготівки. 2. Механічна обробка заготівки під наплавлення. 3. Знежирення заготівки у струминній мийній машині лужним розчином, промивання холодною, гарячою водою, сушіння. 4. Нанесення флюсу і модифікуючого сплаву на поверхні, що наплавляються напилюванням (заливанням). Промивання гарячою водою. Сушіння. 5. Оплавлення сплаву, що модифікує, нагрівання струмами промислової частоти. 6. Наплавлення. 7. Остаточна механічна обробка виробу, ультразвуковий контроль якості наплавлень. Відомий спосіб забезпечує: 1. Підвищення міцності тонких перемичок сталевої заготівки внаслідок їхнього наклепу і зміцнення. 2. Підвищення якості металу, що наплавляється внаслідок поліпшення структури в процесі пресування. 3. Зниження рівня температурних режимів обробки біметалічної заготівки знижує температурні напруги і величину усадки різних матеріалів. 4. Знижується трудомісткість виробництва біметалічних заготівок за рахунок виключення ливарного переділу в загальному циклі виробництва і зменшення обсягу механічної обробки. Недоліком відомого способу є те, що він є технологічно складним і високозатратним. Його застосування виправдане тільки в тому випадку коли потрібне захисне покриття, що попереджає появі зношування контактної поверхні, що рухається, при розподіленому тиску між тілами тертя. Спосіб забезпечує підвищення зносостійкості тертьових поверхонь при наявності проміжного шару, що змазує, між цими поверхнями. Використання відомого способу при контактній взаємодії захисного шару з макрочастками мінеральних матеріалів приводить до інтенсивного прискорення зношування захисної поверхні. Істотним недоліком відомого способу є, то, що його застосування практично неможливо в умовах неспеціалізованих підприємств. Це значить, застосування захисних покриттів по зазначеному способі не дозволяє бути реалізованим для відновлення конструктивних елементів, а також окремих вузлів машин і механізмів застосовуваних для збагачення корисних копалин і зокрема кускових руд чорних і кольорових металів. 1 UA 77010 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Найбільш близьким технічним рішенням є спосіб зміцнення металевих поверхонь шляхом наплавлення на них високоміцних і зносостійких металів (http://www.svarkainfo.ru/rus/technology/naplavka/tn.php). Відоме наплавлення виконується з розділеними процесами теплової підготовки металу, що наплавляється і деталі, що відновлюється. Наплавлення з розділеними процесами теплової підготовки застосовують в основному при наплавленні більш легкоплавкого сплаву (наприклад, на основі міді) на сталь. Процес реалізується у вигляді виливання розплавленого в тиглі металу, що наплавляється, на попередньо заформовану деталь, попередньо окремо підігріту в печі. Для забезпечення змочування і зчеплення металу, що наплавляється з деталлю її захищають від окислювання флюсом. Відомий спосіб важко піддається механізації і є досить трудомістким. Підвищення якості наплавлення може бути забезпечено вібродуговим наплавленням, яке виконують вібруючим електродом діаметром 1,5…2 мм. При кожному короткому контакті електрода, його частка залишається на поверхні виробу, що відновлюється. Недоліком способу є те, що товщина наплавленого шару виходить невелика, що не забезпечує протидії агресивному середовищу протягом тривалого періоду часу. Найбільш часто цей спосіб можна застосовувати при наплавленні циліндричних виробів невеликого діаметра. Наплавлення можна виконувати лежачим електродом або пластиною, за допомогою запалювання дуги. Дуга в міру оплавлення пластини переміщається, викликаючи розплавлювання електрода або пластини. При належній підготовці процес відбувається досить стійко. Процес здійснюється залежно від вимог до покриттів у відкритій камері або в камері з контрольованим середовищем і тиском. Можна застосовувати суміші газів на основі аргону з додаванням азоту, водню, гелію. При цьому забезпечується рівномірне нагрівання і прискорення відновлення матеріалу. Крім того виключається небажаний ефект хімічної взаємодії матеріалу з активними складовими плазми. Забезпечуються висока якість покриттів і стабільність процесу напилювання. Область застосування: - зміцнення поверхні відповідальних вузлів, деталей машин і механізмів; - нанесення на матеріали, що легко окисляються; - створення виробів з композиційних матеріалів практично будь-якого складу і співвідношення. Недоліком відомого способу є те, що для його реалізації необхідна спеціальна камера для створення штучного середовища попереджуючого окислювання металів, що зварюються. Це зменшує продуктивність робіт і унеможливлює направку великогабаритних виробів нестандартної форми. Крім того, недоліком використання способу є те, що його не можна застосувати при нанесенні на металеву підкладку високоміцного металу, що забезпечує попередження інтенсивного абразивного зношування при взаємодії з агресивними середовищами. Зокрема застосування відомого способу неможливо в гірничодобувній і гірничопереробній промисловостях для підвищення зносостійкості конструктивних елементів гірничого і збагачувального устаткування, що протягом тривалого періоду часу контактує із кварцовмісним високоабразивним середовищем різного фазового стану. Це, може бути однофазна тверда мінеральна рудна маса, що відвантажується на гірничозбагачувальні комбінати для наступної переробки, або двофазне середовище рудної пульпи, що переміщається в ланцюзі збагачувальних апаратів, а також насосів, приводячи до інтенсивного зношування їх конструктивні елементи. Інтенсивному зношуванню піддаються також технологічні канавки, по яких рухається пульпа, стираючи кам'яну і металеву футеровку за короткий період часу. Застосування відомого способу для зміцнення футеруючих поверхонь можливо тільки в тому випадку, коли нанесення зміцнюючого сплаву здійснюється на стандартну листову поверхню. Причиною погіршення техніко-економічних показників є те, що, формування наплавленого шару здійснюється на крупнорозмірну заготівку. Після наплавлення, із заготівки вирізається необхідний виріб або необхідний конструктивний елемент. При складній геометрії конструктивного елемента це приводить до значних втрат твердосплавного матеріалу, що негативно позначається на техніко-економічних показниках виконання робіт з посилення конструкцій твердосплавним матеріалом. Крім того, наплавлення металу високої міцності повинно бути регламентоване відносно високої адгезії з підкладкою і можливості протидії значним динамічним навантаженням, що виникають при взаємодії устаткування з високоабразивним середовищем. 2 UA 77010 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Задачею корисної моделі є вдосконалення способу зміцнення металевих поверхонь шляхом наплавлення на підкладку високоміцного матеріалу методом дугового зварювання. Нанесення металу відбувається послідовними рядами, причому дифузійна взаємодія формованої смуги металу регламентована стосовно підкладки і стосовно попередньої суміжно сформованої смуги металу. Температура підкладки регламентована для попередження жолоблення металу. Порівняно з аналогічними способами спосіб передбачає попереднє виготовлення зміцнюваного виробу, а потім наплавлення на його поверхню високоміцного металу. Технічний результат від використання корисної моделі полягає в тім, що підвищується якість взаємодії підкладки і наплавлюваного металу. Сформований шар може протистояти тривалим динамічним і статичним навантаженням абразивного матеріалу. Спосіб забезпечує високі техніко-економічні показники за рахунок того, нанесення твердосплавного металу виконують на підкладку, якій надана форма готового виробу. Це попереджає втрати коштовного металу порівняно зі способами, що передбачають формування зміцнюючого шару на заготівці, а потім вирізання із заготівки готового виробу. Порівняно з існуючими способами, формування захисного шару на готовому виробі також попереджає виникненню напруг, які сприяють можливим відшаруваннями металу під дією статичних і динамічних навантажень. Реалізація способу може здійснюватися в умовах неспеціалізованих підприємств, що здійснюють переробку корисних копалин. Формування високоміцного шару може здійснюватися під час планових і попереджувальних ремонтів устаткування. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що спосіб зміцнення металевих поверхонь включає зачищення робочої поверхні підкладки з видаленням окалини і нашарувань, формування на підкладці високоміцного шару металу шляхом наплавлення за допомогою газового або електродугового зварювання. Відповідно до корисної моделі, підкладці надають форму готового виробу, а після зачищення і видалення з поверхні окалини і нашарувань здійснюють наплавлення на підкладку високоміцного металу. Нанесення здійснюють послідовним формуванням суміжно формованих шарів розплаву високоміцного металу на поверхні підкладки. При формуванні шару розплаву високоміцного металу формують зону дифузії товщиною 1,5-2,0 мм між шаром металу, що наноситься, і підкладкою. Тильну сторону підкладки витримують при температурі, яка не перевищує 200-300 °C. Нанесення наступного шару розплаву високоміцного металу здійснюють, формуючи зону дифузії товщиною від 2,0 до 3,0 мм між бічною частиною попередньо сформованого високоміцного шару металу і бічною частиною наступного шару металу, що формується, після чого здійснюють охолодження нанесеного шару металу і підкладки. Спосіб реалізується в такий спосіб. Посилення металевих поверхонь стосовно до гірничого устаткування здійснюють в процесі його експлуатаційного зношування. Як правило, зношені поверхні можуть бути посилені за допомогою листового матеріалу, якому надають необхідну складну просторову форму. Традиційно технологія зміцнення зношених поверхонь виконувалася шляхом нанесення за допомогою зварювального устаткування твердосплавного, зносостійкого металу на стандартну по розмірах поверхню металевого листа. Нанесення твердого сплаву здійснювалося різними способами і відбувалося до покриття всієї поверхні листа. Після остигання розплаву, з металевого листа вирізалася заготівка їй надавалася необхідна форма і отриманий виріб закріплювався в необхідному місці. Така технологія приводила до значних витрат через втрати коштовного високоміцного сплаву. Крім того, металевому листу дуже складно надати необхідну форму через нанесення на його поверхню сплаву підвищеної твердості. Згідно з корисною моделлю, підкладці відразу надають форму готового виробу. Надавши необхідної форми, підкладку зачищають за допомогою механічного оснащення, видаляючи з робочої поверхні залишки окалини і сторонніх нашарувань. Після очищення робоча поверхня повністю готова до наплавлення вибраним високоміцним металевим сплавом. Наплавлення здійснюють послідовним переміщенням електрода по поверхні підкладки. Як наплавне устаткування, залежно від товщини підкладки, застосовують електродугове або газове зварювання. Наплавлення високоміцного металу здійснюють послідовним формуванням суміжно формованих шарів. Електрод переміщають по поверхні підкладки від початку і її до кінця. Головною умовою якісного зміцнення поверхні є висока контактна міцність між твердим сплавом і підкладкою. Ця міцність повинна забезпечувати протистояння не тільки стираючим зусиллям у процесі експлуатації, а також виникаючим статичним і динамічним навантаженням. 3 UA 77010 U 5 10 15 20 25 30 35 40 Дослідженнями встановлено, що максимально ефективне з'єднання твердого сплаву до підкладки досягається в тому випадку, коли між формованим шаром розплаву високоміцного металу і підкладкою формують зону дифузії товщиною 1,5-2,0 мм. Дослідженнями встановлено, що така товщина зони дифузії забезпечує високоміцне зчеплення твердого сплаву з обкладинкою. Покриття не відшаровується до повного фізичного зношування при прямому впливі агресивного середовища. Установлено, що зменшення товщини зони дифузії приводить до зниження міцності з'єднання металів і ймовірності відшарування наплавлення від підкладки, а також і необхідності виконання ремонтно-відновних робіт. Збільшення товщини зони дифузії не приводить до збільшення міцності між металом, що наноситься, і підкладкою. Було встановлено, що утворення біпластини з різнорідних за фізико-механічними властивостями металів приводить до можливого жолоблення підкладки і як наслідок - зміни геометрії виробу. Дослідженнями було встановлено, що підтримка при температурі 200-300 °C тильної сторони підкладки попереджає її жолоблення і у зв'язку із цим немає необхідності в додаткових витратах на відновлення конфігурації виробу. Експериментально було встановлено, що температура менш 200 °C знижує адгезію підкладки з шаром, що наноситься. Температура вище 300 °C приводить до зайвих енергетичних витрат і можливості зміни фізико-механічних властивостей металу підкладки, роблячи її більш тендітною або навпаки - зайво податливою під дією навантаження. Пошарове формування захисного шару з високоміцного металу також має свої особливості, які викликані тим, що нанесення наступного шару розплаву високоміцного металу здійснюють із паралельних смуг, ширина яких регламентується шириною електрода і швидкістю його переміщення по поверхні підкладки. Для того, щоб захисний шар з високоміцного металу мав поверхню, що максимально протистоїть дії стираючих і ударних навантажень, необхідно формувати зону дифузії товщиною від 2,0 до 3,0 мм між з бічною частиною попереднього високоміцного шару металу і наступного формованого шару металу. Експериментальними і теоретичними дослідженнями встановлено, що товщина зони дифузії менш 2,0 мм недостатня для високоміцного з'єднання паралельних шарів, а товщина зони дифузії більше 3,0 мм не збільшує механічну міцність з'єднання шарів і приводить до зайвих витрат високоміцного металу, що наплавляється. Після нанесення всіх шарів на підкладку виріб охолоджують при температурному режимі, що забезпечує попередження жолоблення виробу і зниження міцнісних властивостей шару. Виконані дослідження і практична реалізація способу на гірничозбагачувальних комбінатах показує, що без застосування складного і громіздкого устаткування можливе виготовлення необхідних вузлів, які мають високу зносостійкість. Особливістю способу є те, що формування захисного покриття регламентованої товщини здійснюють на готовий виріб, чим забезпечується зниження витрат високоміцного металу і металу підкладки. Крім того, реалізація способу дозволяє сформувати або відновити високоміцне покриття в процесі виконання планово-попереджувальних ремонтів. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 50 55 Спосіб зміцнення металевих поверхонь, що включає зачищення робочої поверхні підкладки з видаленням окалини і нашарувань, формування на підкладці високоміцного шару металу шляхом наплавлення за допомогою газового або електродугового зварювання, який відрізняється тим, що підкладці надають форму готового виробу, а після зачищення і видалення з поверхні окалини і нашарувань здійснюють наплавлення на підкладку високоміцного металу, після чого послідовно формують суміжно розташовані шари розплаву високоміцного металу на поверхні підкладки, при цьому при формуванні кожного шару розплаву високоміцного металу формують зону дифузії товщиною 1,5-2,0 мм між шаром високоміцного металу, що наноситься, і підкладкою, при цьому тильну сторону підкладки витримують при температурі, яка не перевищує 200-300 °C, а нанесення наступного шару розплаву високоміцного металу здійснюють, формуючи зону дифузії товщиною від 2,0 до 3,0 мм між бічною частиною попередньо сформованого високоміцного шару металу і бічною частиною наступного шару металу, що формується, після цього здійснюють охолодження нанесеного шару металу та підкладки. 4 UA 77010 U Комп’ютерна верстка С. Чулій Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5