способ восстановления изделия и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ восстановления изделия, включающий плазменное напыление металлического порошка на восстанавливаемую рабочую поверхность изделия и горячее уплотнение напыленного слоя вращающимся накатным роликом, отличающийся тем, что напыление осуществляют порошком с равноосной зернистой микроструктурой на разогретую восстанавливаемую поверхность изделия, а горячее уплотнение напыленного слоя ведут после нагрева поверхностного слоя накатного ролика и рабочей поверхности восстанавливаемого изделия в месте их контакта до температуры, обеспечивающей сверхпластичное состояние металлического порошка, с усилием, обеспечивающим деформацию напыленного металла по границам равноосных микрокристаллических зерен.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость перемещения накатного ролика и обрабатываемого изделия не должна превышать 2,0 мм/с, а скорость деформации напыленного слоя должна быть в пределах 0,64-6,4%/мин.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что перепад температур в зоне контакта рабочей поверхности накатного ролика и восстанавливаемой поверхности изделия не должен превышать 5^oС.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве плазмообразующей среды используют при плазменном нагреве порошка аргон, при плазменном нагреве обрабатывающей и восстанавливаемой поверхностей - азот.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что напыленный слой дополнительно подвергают диффузионной сварке с поверхностью основного металла и термическому упрочнению.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что диффузионную сварку и термомеханическое упрочнение ведут непосредственно после восстановления рабочей поверхности.

7. Устройство для восстановления изделий, содержащее плазменную горелку с бункером-питателем для напыления на рабочую поверхность изделия порошка и механизм вращения изделия, отличающееся тем, что оно снабжено платформой, накатным роликом, рабочей траверсой, плазменными горелками для предварительного нагрева восстанавливаемой поверхности изделия и рабочей поверхности накатного ролика, экраном, подвеской, форсункой закалочного охлаждения и датчиками активного контроля, при этом накатной ролик через подвеску связан рабочей траверсой, плазменные горелки объединены в блок, который установлен до контактной зоны накатного ролика по направлению его вращения на экране, закрепленном на подвеске, к экрану прикреплены форсунки закалочного охлаждения и датчики активного контроля после контактной зоны накатного ролика по направлению его вращения, механизм вращения изделия установлен на платформе, а накатной ролик имеет профиль рабочей поверхности, идентичный зеркальному отражению профиля восстанавливаемой поверхности изделия.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что подвеска накатного ролика шарнирно связана с траверсой.

9. Устройство по п.7, отличающееся тем, что бесконтактные датчики контроля геометрических и других параметров восстанавливаемой поверхности изделия размещены до и после контактной зоны ролика.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области порошковой металлургии, а точнее, к способам восстановления изделий методами напыления порошковых материалов.

Известен способ восстановления методом плазменного напыления на восстанавливаемую рабочую поверхность изделия металлического порошка. В этом способе невозможно обеспечить высокие прочностные свойства из-за значительного уровня остаточной пористости и низких значений прочности сцепления напыленного слоя с основным металлом (Митин Б.С. Порошковая металлургия и напыленные покрытия. - М.: Металлургия, 1987).

Наиболее близким к предлагаемому является способ восстановления изделия, включающий плазменное напыление металлического порошка на восстанавливаемую поверхность и горячее уплотнение (патент US 5298095, С 22 С 14/00).

Недостатком известного способа являются значительные энергетические затраты при горячем уплотнении пористого напыленного слоя.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение прочностных характеристик как самого напыленного слоя, так и прочности сцепления последнего с основным металлом при значительном снижении энергетических затрат и ограничений по габаритным размерам восстанавливаемого изделия.

Поставленная задача достигается тем, что в способе восстановления изделия, включающем плазменное напыление металлического порошка на восстанавливаемую рабочую поверхность изделия и горячее уплотнение напыленного слоя вращающимся накатным роликом, напыление осуществляют порошком с равноосной зернистой микроструктурой на разогретую восстанавливаемую поверхность изделия, а горячее уплотнение напыленного слоя ведут после нагрева поверхностного слоя накатного ролика и рабочей поверхности восстанавливаемого изделия в месте их контакта до температуры, обеспечивающей сверхпластичное состояния металлического порошка, с усилием, обеспечивающим деформацию напыленного металла по границам равноосных микрокристаллических зерен.

Это обеспечит повышение прочностных характеристик как самого напыленного слоя, так и прочности сцепления его с основным материалом.

Для обеспечения процесса скорость перемещения накатного ролика и обрабатываемого изделия не должна превышать 2,0 мм/с, а скорость деформации напыленного слоя должна быть в пределах 0,64-6,4%/мин, перепад температур в зоне контакта рабочей поверхности накатного ролики и восстанавливаемой поверхности изделия не должен превышать 5^oС.

Для напыления используют равноосный мелкозернистый и микрокристаллический порошок с величиной зерна примерно 1...3 мкм (А.П. Гуляев. Сверхпластичность стали. - М.: Металлургия, 1982, с. 51).

Кроме того, напыленный слой дополнительно подвергают диффузионной сварке с поверхностью основного металла и термомеханическому упрочнению непосредственно после восстановления рабочей поверхности изделия, для чего уплотненный слой с помощью плазменной горелки нагревают до температуры диффузионной сварки, повторно накатывают роликом с заданной скоростью деформации слоя и закаливают газожидкостной средой на основе жидкого азота. Это позволяет повысить прочность сцепления напыленного слоя с основным металлом, снизить пористость напыленного слоя.

Наиболее близким к устройству, реализующему способ является устройство по патенту РФ 2125115, С 23 С 4/00, содержащее плазменную горелку с бункером-питателем для напыления на рабочую поверхность изделия и механизм вращения изделия. Однако известное устройство не решает поставленную задачу.

Известна конструкция пресса, рабочая траверса которого имеет минимальную скорость перемещения и нагружения, обеспечивающие деформацию металла в условиях сверхпластичного состояния (Фиглин С.З. и др. Изотермическое деформирование металлов. - М.: Машиностроение, 1978, с. 50-56).

Устройство, реализующее способ, содержит плазменную горелку с бункером-питателем для напыления на рабочую поверхность изделия порошка и механизм вращения изделия, оно снабжено платформой, накатным роликом, рабочей траверсой, плазменными горелками для предварительного нагрева восстанавливаемой поверхности изделия и рабочей поверхности накатного ролика, экраном, подвеской, форсункой закалочного охлаждения и датчиками активного контроля, при этом накатной ролик через подвеску связан с рабочей траверсой, плазменные горелки объединены в блок, который установлен до контактной зоны накатного ролика по направлению его вращения на экране, закрепленном на подвеске, к экрану прикреплены форсунка закалочного охлаждения и датчики активного контроля после контактной зоны накатного ролика по направлению его вращения, механизм вращения восстанавливаемого изделия установлен на платформе, а накатной ролик имеет профиль рабочей поверхности, идентичной зеркальному отражению профиля восстанавливаемой поверхности изделия.

Такая конструкция обеспечивает снижение энергетических затрат на восстановления изделия.

Блок плазменных горелок с бункером-питателем крепят к подвижной (рабочей) траверсе над обрабатываемой поверхностью восстанавливаемого изделия и рабочей поверхностью накатного ролика до зоны контакта последних, а форсунку закалочного охлаждения и датчик активного контроля температуры размещают над напыленной и уплотненной поверхностью изделия непосредственно после зоны контакта.

Такие конструктивные особенности устройства позволяют обеспечить температурные характеристики способа.

С целью исключения окисления напыляемого порошка в качестве плазмообразующей среды используют инертный газ - аргон.

С целью исключения окисления напыленного слоя в качестве плазмообразующей среды используют более дешевый инертный газ - азот.

С целью обкатки выгнутой или выпуклой поверхностей, например валков листовых прокатных станов, рабочая поверхность накатного ролика имеет профиль, идентичный зеркальному отражению профиля обрабатываемого изделия - прокатных налков, и сам ролик снабжен подвеской, позволяющей свободное перемещение по линии контакта поверхности уплотняющего ролика, что обеспечивает равномерный контакт рабочей поверхности накатного ролика с обрабатываемой поверхностью изделия.

Использование предложенного способа восстановления изделий и устройства для его осуществления обеспечивает более низкие энергетические, материальные и трудовые затраты; снимает практически ограничения по восстановлению крупногабаритных изделий; повышает уровень эксплуатационных характеристик изделий.

Изобретение иллюстрируется чертежом, где на фиг.1 изображен общий вид устройства; на фиг.2 - конструкция подвески накатного ролика (разрез А-А на фиг. 1); на фиг.3 - график технологического процесса; на фиг.4 - конструкция подвески накатного ролика для конкретного примера осуществления способа; на фиг.5 - график конкретного технологического процесса.

Устройство (см. фиг.1) восстановления изделий включает пресс 1 с минимальной скоростью перемещения и нагружения подвижной (рабочей) траверсы 2, блок плазменных горелок 3, 4, 5, бункер-питатель 6 порошковых материалов, форсунку 7 закалочного охлаждения, накатной ролик 8, датчик 9 активного контроля геометрических параметров, выдвижную платформу 10 горизонтального перемещения восстанавливаемого изделия, например прокатного валка 11.

Рабочая поверхность накатного ролика 8 имеет профиль, идентичный зеркальному отражению профиля обрабатываемого изделия 11 - прокатного валка,

Кроме того, на платформе 10 размещены приводные валки 12, обеспечивающие вращение изделия 11, с приводом 13 и упоры 14.

Подвеска 15 (см. фиг.2) накатного ролика 8 через шарнирное соединение 16 крепится к рабочей траверсе 2 пресса 1.

Управление процессами нагрева и охлаждения восстанавливаемой поверхности изделия 11 осуществляется с помощью бесконтактного датчика температуры 17.

Блок плазменных горелок 3, 4, 5, бункер-питатель 6, форсунка 7, датчики 9, 17 монтируются на экране 18, который крепится к подвеске 15. Причем горелки 3, 4, 5 располагают на экране 18 до зоны контакта восстанавливаемой поверхности изделия 11 с рабочей поверхностью ролика 8, а форсунка 7 и датчик 17 - после.

Контроль геометрических параметров обрабатываемой поверхности прокатного валка 11 осуществляется с помощью бесконтактных датчиков 9, которые размещены до и после зоны контакта.

Кроме того, конструкция устройства включает систему управления и поддержания работы плазменных горелок, систему энергоснабжения и управления работы установки в целом (на чертеже не показаны).

На фиг.4 дан вариант конструкции для восстановления валка-имитатора 18 с приводными валками 19 и роликом 20.

Способ восстановления, например прокатного валка из стали 9Х2МС, осуществляется следующим образом.

Восстанавливаемый прокатный валок 11 (см. фиг.1, 2) с помощью грузоподъемного механизма устанавливают на приводные валки 12. Платформу 10 перемещают в рабочую зону пресса 1.

Далее с помощью рабочей траверсы 2 пресса 1 накатной ролик 8, блок плазменных горелок 3, 4, 5 с бункером-питателем 6, форсункой 7, датчиками 9, 17 устанавливают над напыляемым участком рабочей поверхности восстанавливаемого прокатного валка 11 и засыпают в бункер-питатель 6 микрокристаллический порошок из стали 9Х2МС с величиной зерна менее 10 мкм.

Затем подают в плазменные горелки 3, 5 инертный газ (азот), зажигают плазму и нагревают участки поверхности, прилегающие к месту контакта накатного ролика 8 и восстанавливаемого прокатного валка 11, до заданной температуры A₁ (см.фиг.3). На графике показано:

А₁- температура фазовой перестройки объемноцентрированной кристаллической решетки в гранецентрированную кристаллическую решетку в напыляемом порошке, например, для стали 9Х2МФ температура составляет 740^oС (А.А. Попов, Л.Е. Попова. Изотермические и термокинетические диаграммы распада переохлажденного аустенита. - М.: Металлургия, 1965, с.415).

- Т_пл - температура плавления;

- V₁ - скорость деформации в пределах 0,64-6,4%/мин;

- V₂ - степень деформации, лимитируемая мощностью прессового оборудования;

- V₃ - скорость охлаждения, лимитируемая применяемой закалочной средой.

Перепад температур поверхностей ролика 8 и изделия 11 в зоне контакта не должен превышать 5^oС.

Далее в плазменную горелку 4 подают инертный газ (аргон), зажигают плазму, опускают траверсу 2 и включают ее рабочий ход; одновременно из бункера-питателя 6 в плазменную горелку 4 подают напыляемый порошок и включают привод 13 вращения приводных валков 12.

Рабочий ход траверсы 2 и скорость вращения приводных валков 12 подбирают таким образом, чтобы обеспечить минимальную скорость деформации напыленного слоя, порядка 0,64-6,4%/мин, при этом скорость перемещения поверхностей ролика 8 и изделия 11 должна быть не более 2,0 мм/с.

По достижении границы напыленной и накатанной поверхности восстанавливаемого прокатного валка 11 останавливают привод 13 и рабочий ход траверсы 2, прекращают подачу порошка из бункера-питателя 6.

Затем нагревают (см. фиг. 3) плазменной горелкой 4 напыленный и накатанный слой до температуры диффузионной сварки (0,7 Т плавления), включают привод 13, рабочий ход траверсы 2 и повторно накатывают роликом 8 напыленный слой с заданной скоростью деформации; одновременно в форсунку 7 подают газожидкостную среду на основе жидкого азота и закаливают напыленный слой.

По достижении начального участка восстановленной и термомеханически упрочненной поверхности изделия отключают плазменные горелки 3, 4, 5, прекращают подачу инертной и охлаждающей сред, отключают привод 13 (см.фиг.2) вращения приводных валков 12, поднимают траверсу 2 и с помощью платформы 10 перемещают поверхность изделия на новый участок восстановления его поверхности. Далее процесс повторяется.

Проводилась техническая обработка валка-имитатора 18 (см. фиг.4) из стали 9Х2МС на полупромышленной установке, включающей модернизированный гидравлический пресс ДГ2432 с усилием 1600 кН и элементами конструкции, представленными на фиг.1, 4.

График режима обработки валка-имитатора 18 представлен на фиг.5, где:

V₁- скорость деформации, 2%/мин;

V₂- степень обжатия, 25%;

h - толщина напыленного слоя, 1,5 мм.

В качестве напыляемого материала использовался микрокристаллический порошок из стали 9Х2МС.

В табл. 1 приведена схема технологического процесса восстановления изделия.

В табл.2 приведены физико-механические свойства напыленного слоя (h=1,5 мм) валка-имитатора, обработанного в полупромышленной установке на базе пресса ДГ2432 по режиму, представленному на фиг.5, в сравнении с физико-механическими свойствами валка-имитатора, обработанного по традиционной технологии, включающей плазменное напыление порошка из стали 9Х2МС на рабочую поверхность.