способ изготовления армированных стальных изделий

Формула изобретения

1. Способ изготовления армированных стальных изделий, включающий изготовление основы из стали с полостью в виде канавки, выполнение в основе с ее боковой поверхности отверстия и вваривание в него патрубка, размещение в канавке пористого полуфабриката из порошка карбида металла и на полуфабрикате - пропитывающего сплава с температурой ликвидуса ниже температуры плавления основы, приваривание к основе с торца канавки непрерывным швом стальной крышки, подсоединение вакуумной системы к патрубку, вакуумирование полости основы, размещение полученной сборки в печи с рабочей зоной, сообщающейся с атмосферой воздуха, нагрев сборки до температуры, превышающей температуру ликвидуса пропитывающего сплава, но ниже температуры плавления основы, и инфильтрацию полуфабриката пропитывающим сплавом.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что вакуумирование полости проводят в течение всего процесса нагрева.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что вакуумирование полости проводят до начала нагрева, причем в качестве карбида металла и инфильтрующего сплава используют материалы, несодержащие газовых включений, а после вакуумирования полость герметизируют.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве порошка карбида металла используют порошок карбида титана.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве порошка карбида металла используют порошок карбида вольфрама.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве пропитывающего сплава используют медно-никелевые или никелевые сплавы.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что в канавке размещают пористый полуфабрикат в виде отдельных элементов.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев сборки ведут в засыпке из графитового порошка, причем перед нагревом сборку облицовывают слоем из огнеупорных окислов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, а именно к изготовлению крупногабаритных износостойких стальных изделий, например колец, армированных композитами на основе карбидов металлов.

Известен способ изготовления стальных колец, армированных композитами на основе карбидов металлов. Предварительно изготавливается стальное кольцо с кольцевой канавкой, где размещается пористый полуфабрикат из порошков карбидов титана или вольфрама. На полуфабрикате размещается навеска никель-фосфорного сплава с температурой ликвидуса значительно ниже температуры плавления материала кольца. Вся эта конструкция - сборка нагревается в вакууме до температуры выше температуры ликвидуса сплава, после чего расплав инфильтрует пористый полуфабрикат с образованием беспористой композитной вставки в кольцевой канавке. Одновременно расплав смачивает стенки канавки в кольце, благодаря чему композитная вставка припаивается к нему. Таким способом образуется стальное кольцо, армированное слоем износостойкого композита на основе карбида [Заявка Японии, № 57-14723, B22F 5/00, B22F 3/26, B22F 7/08, опубликовано 1982.03.26].

Недостатком способа является необходимость использования дорогостоящих вакуумных электропечей для реализации процесса инфильтрации карбидного полуфабриката расплавом металла. Кроме того, эти печи оснащены легкоокисляющимися нагревателями из молибдена и вольфрама, что при отсутствии весьма дорогостоящих систем со шлюзовыми камерами допускает возможность открытия вакуумной камеры печи только при охлаждении до температуры не выше 200°С и приводит к значительной продолжительности операции. Это обстоятельство снижает производительность процесса и существенно повышает затраты на изготовление изделий.

Задачей изобретения является упрощение технологического процесса и повышение производительности труда при изготовлении стальных изделий, например колец, армированных композитом на основе карбида металла при сохранении их качества за счет способа, позволяющего проводить операцию инфильтрации пропитывающего сплава в открытых печах.

Поставленная задача решается способом изготовления армированных стальных изделий, включающим изготовление основы из стали с полостью в виде канавки, выполнение в основе с ее боковой поверхности отверстия и вваривание в него патрубка, размещение в канавке пористого полуфабриката из порошка карбида металла и на полуфабрикате - пропитывающего сплава с температурой ликвидуса ниже температуры плавления основы, приваривание к детали с торца канавки непрерывным швом стальной крышки, подсоединение вакуумной системы к патрубку, вакуумирование полости основы, размещение полученной сборки в печи с рабочей зоной, сообщающейся с атмосферой воздуха, нагрев сборки до температуры, превышающей температуру ликвидуса пропитывающего сплава, но ниже температуры плавления основы, и инфильтрацию полуфабриката пропитывающим сплавом.

Вакуумирование полости может проводиться в течение всего процесса нагрева.

Вакуумирование полости может проводиться до начала нагрева, причем в качестве карбида металла и пропитывающего сплава используют материалы, не содержащие газовых включений, а после вакуумирования полость герметизируют.

В качестве порошка карбида металла может использоваться порошок карбида титана.

В качестве порошка карбида металла может использоваться порошок карбида вольфрама.

В качестве пропитывающего сплава могут использоваться медно-никелевые и никелевые сплавы.

В канавке могут размещать пористый полуфабрикат в виде отдельных элементов.

Нагрев сборки могут вести в засыпке из графитового порошка, причем перед нагревом сборку облицовывают слоем из огнеупорных окислов.

Предлагаемый способ поясняется чертежами:

Фиг.1 - Поперечный разрез сборки перед нагревом:

1 - основа из стали;

2 - полость (кольцевая канавка);

3 - патрубок вакуумный;

4 - пористый полуфабрикат из карбида титана;

5 - пропитывающий сплав;

6 - крышка из стали;

7 - непрерывный сварочный шов;

8 - полости в виде канавки.

Фиг.2 - Спеченные сектора из порошка карбида титана:

4 - пористые сектора (полуфабрикаты) из карбида титана.

Фиг.3 - Типичная микроструктура спеченного полуфабриката из карбида титана: увеличение - 1000.

Фиг.4 - Типичная микроструктура инфильтрованного композита на основе карбида титана с металлической связкой: увеличение - 1000.

Фиг.5 - Стальное кольцо, армированное композитом на основе карбида титана с никелевой связкой после эксплуатации:

1 - основа из стали 12Х18Н10Т;

9 - сектора из карбида титана, инфильтрованные никелевым сплавом и монолитно соединенные между собой и со стальной основой.

Фиг.6 - Типичная микроструктура инфильтрованного композита на основе карбида вольфрама зернистостью 0,18-0,28 мм со связкой из медно-никелевого сплава Cu-40%Ni: увеличение - 100.

Пример 1

Изготавливали стальное кольцо, армированное композитом на основе карбида титана (фиг.1). Предварительно готовили несущую основу 1 из стали 12Х18Н10Т размерами 500× 390×Н70 мм с кольцевой канавкой 2 размерами 470× 420×Н20 мм. Температура плавления стали 12Х18Н10Т составляет 1480±5°С. На боковой стенке выполняли отверстие, куда вваривали длинный патрубок 3 из стали 20 для подсоединения к вакуумной системе. Температура плавления стали 20 составляет 1495±5°С. Путем прессования в металлической пресс-форме и вакуумного спекания порошка карбида титана фракции 3-20 мкм получали полуфабрикаты - сектора 4 толщиной 5 мм и пористостью 38-40%. Размещенные в кольцевой канавке стальной основы сектора в количестве 24 шт. образовывали кольцевой пористый полуфабрикат из карбида титана. На полуфабрикат равномерно по всей поверхности укладывали навеску (с избытком на 3-5% по отношению к общему объему пор полуфабриката и щелей между секторами) пропитывающего сплава 5 следующего состава, % по массе:

Углерод	0,3
Хром	9,0
Алюминий	0,1
Кремний	3,5
Бор	1,8
Железо	2,4
Никель	остальное

Температура ликвидуса сплава составляет 1020±5°С.

После этого на торец кольцевой канавки накладывали крышку 6 из стали 20 толщиной 2,0 мм, который непрерывным швом 7 контактной сваркой соединяли со стальной основой с образованием полости в виде канавки 8. После подсоединения патрубка к вакуумной системе остаточное давление в полости уменьшали до 10^-2 Па. Благодаря небольшому объему продолжительность откачки воздуха из полости основы до требуемого остаточного давления не превышала 5 мин.

Сборку без отсоединения от вакуумной системы помещали в камерную открытую электропечь модели ПК 530/14, оснащенную карбидокремниевыми нагревателями, с температурой 1200±10°С, выдерживали 1,5 часа и извлекали. Толщины патрубка 3 и крышки 6 были достаточными для исключения прогорания и разгерметизации полости основы при высокотемпературной выдержке в печи. В ходе проведения операции никелевый сплав расплавлялся, инфильтровывал полуфабрикат из карбида титана и одновременно припаивал его к стальной основе, в результате чего получали стальное кольцо, армированное композитом.

Стальную основу обрабатывали резцовым, а композитный армированный слой - абразивным инструментом. Твердость армированного слоя - композита составляла 66 69 HRC.

Микроструктуры пористого полуфабриката и инфильтрованного композита представлены на фиг.3 и 4.

Армированные стальные кольца (фиг.5) прошли испытания на нефтеперерабатывающем заводе в течение 18 месяцев на установке крекинга газ-ойля в шиберной задвижке в условиях воздействия абразивного газового потока при температурах 670-700°С, причем их стойкость превысила стойкость колец из стали 12Х18Н10Т более чем в 6 раз. Несмотря на появление трещин из-за многократных термоударов сектора из композита 9 не отошли от стальной основы и сохранили работоспособность.

Пример 2

Изготавливали стальное кольцо, армированное композитом на основе карбида титана по примеру 1.

В качестве материала основы взяли сталь 20 с температурой плавления 1495±5°С.

В качестве пропитывающего сплава взяли навеску никелевого сплава ЖС6К с добавкой 1,5% фосфора, имеющего температуру ликвидуса 1300±5°С.

Сборку без отсоединения от вакуумной системы помещали в открытую печь с температурой 1400±10°С, где выдерживали 2,5 часа.

Твердость композита составляла 64 66 HRC.

Пример 3

Изготавливали стальное кольцо, армированное композитом на основе карбида вольфрама - зернового "Рэлита" фракции 0,18-0,28 мм со связкой из медно-никелевого сплава Cu-40%Ni.

Стальную основу изготавливали по примеру 1. Карбид вольфрама размещали в кольцевой канавке и виброуплотняли под давлением стального кольцевого пуансона с получением толщины слоя 5 мм. Пористость уплотненного порошкового полуфабриката составляла 50-55%. На пористом полуфабрикате размещали навеску медно-никелевого сплава Cu-40%Ni и полость основы герметизировали стальной крышкой.

Сборку без отсоединения от вакуумной системы помещали в открытую печь с температурой 1300±10°С, где выдерживали 2,0 часа.

Твердость композита составляла 45 55 HRC.

Микроструктура инфильтрованного композита на основе карбида вольфрама представлена на фиг.6.

Пример 4

Изготавливали стальное кольцо, армированное композитом на основе карбида вольфрама по примеру 3. Карбид вольфрама предварительно просушивали при температуре 70°С, а медно-никелевый сплав использовали из плотных отливок, не содержащих газовых включений.

После сборки стальное кольцо подсоединяли к вакуумной системе, остаточное давление доводили до 10^-2 Па, патрубок сплющивали и герметично заваривали. Сборку помещали в открытую печь с температурой 1300±10°С, где выдерживали 2,0 часа.

Твердость композита составляла 45 55 HRC.

Пример 5

Изготавливали стальное кольцо, армированное композитом на основе карбида титана по примеру 2.

На сборку наносили тонкий слой жидкой обмазки на основе порошков окисей алюминия и кремния, сушили при температуре 80±10°С в течение 5 часов, в результате чего на ней образовывался защитный слой из огнеупорных окислов. Далее сборку располагали в контейнере из стали 20, покрывали порошком графита толщиной слоя 5 10 мм и без отсоединения от вакуумной системы помещали в открытую печь с температурой 1400±10°С, где выдерживали 2,5 часа.

На стальном кольце, крышке и патрубке окалина практически отсутствовала за счет создания слоя защитного газа СО, образующегося при сгорании графита. Диффузия углерода в стальную основу не обнаружена.

Твердость композита составляла 64 66 HRC.

Таким образом, способ по настоящему изобретению позволяет упростить технологический процесс, исключить необходимость использования вакуумных электропечей, значительно сократить продолжительность операции инфильтрации сплавом и повысить производительность труда при изготовлении стальных изделий, например колец и дисков, армированных композитом на основе карбида металла, при сохранении их качества.