Є ще 8 сторінок.

Дивитися все сторінки або завантажити PDF файл.

Формула / Реферат

1. Спосіб відновлення частково видаленого зміцненого шару сталевих деталей, отриманого іонним азотуванням з подальшим електроерозійним легуванням, що включає операцію електроерозійного легування графітовим електродом (ЕЕЛ), який відрізняється тим, що ЕЕЛ здійснюють з енергією розряду, при якій зона термічного впливу при легуванні не перевищує товщини залишку зміцненого іонним азотуванням поверхневого шару.

2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що після ЕЕЛ застосовують метод безабразивної ультразвукової фінішної обробки (БУФО).

3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що ЕЕЛ здійснюють поетапно, знижуючи на кожному наступному етапі енергію розряду.

4. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що відновлюють стальну деталь у вигляді захисної втулки кінцевого ущільнення ротора.

Текст

Реферат: Спосіб відновлення частково видаленого зміцненого шару сталевих деталей, отриманого іонним азотуванням з подальшим електроерозійним легуванням, що включає операцію електроерозійного легування графітовим електродом (ЕЕЛ). ЕЕЛ здійснюють з енергією розряду, при якій зона термічного впливу при легуванні не перевищує товщини залишку зміцненого іонним азотуванням поверхневого шару. UA 118013 U (12) UA 118013 U UA 118013 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Технічне рішення належить до електрофізичних і електрохімічних способів обробки деталей, зокрема до електроерозійного легування графітовим електродом та іонного азотування поверхонь сталевих деталей. Основною причиною виходу з ладу деталей при експлуатації, як правило, є процеси, що протікають в поверхневому шарі: концентрація напружень, розвиток мікротріщини, вигоряння легуючих елементів, знеміцнення, зношування, окислення, перерозподіл залишкових напруг і т.д. Тому технічні рішення, спрямовані на розробку нових технологій, що поліпшують якісні параметри поверхневих шарів деталей, актуальні і важливі. Сучасні ресурсозберігаючі технології, що дозволяють значно підвищити фізико-механічні характеристики поверхонь деталей (зносостійкість, опір втоми, корозійну стійкість та ін.). Застосовують різноманітні перспективні та інноваційні методи і прийоми обробки металів. Аналіз науково-технічної літератури показав, що немає певного методу підвищення якості поверхневого шару деталей машин, який був би застосовний при будь-яких заданих умовах. Основним завданням застосовуваних методів є підвищення якісних параметрів поверхневого шару деталей: підвищення твердості, зниження параметра шорсткості, підвищення зносостійкості і відновлення зношених ділянок поверхонь, зміна величини і знака залишкових напружень, збільшення втомної міцності та ін. [Качество машин: справочник. В 2 т. Т. 2. / А.Г. Суслов, Ю.В. Гуляев, A.M. Дальский [и др.]. - М: Машиностроение, 1995.-430 с.]. Одним з найбільш простих з технологічної точки зору методів створення захисних покриттів є поверхневе електроерозійне легування (ЕЕЛ). Його перевагами є: локальність впливу, мала витрата енергії, відсутність об'ємного нагрівання матеріалу, простота автоматизації і "вбудовуваність" в технологічний процес виготовлення деталей, а також можливість суміщення операцій. Застосовуючи ЕЕЛ, можна або підвищити твердість металевої поверхні нанесенням на неї матеріалу більш високої твердості чи дифузійним введенням в поверхневий шар необхідних хімічних елементів з навколишнього середовища чи з матеріалу анода, або знизити твердість поверхні, наносячи на неї більш м'які матеріали [Назаренко Н.И. Электроискровое легирование металлических поверхностей.- М. Машиностроение, 1976. 45 с.]. Однак ЕЕЛ термооброблених деталей, що піддаються в умовах експлуатації високим питомим навантаженням, наприклад деталей штампів, валів прокатних станів та інших подібних деталей, не завжди приводить до бажаного результату. Причиною виходу з ладу деяких з них є те, що під шаром підвищеної твердості після ЕЕЛ з'являється зона відпустки, тобто, зона зниженої твердості. Це призводить до так званого продавлювання зміцненого шару і, як наслідок, до швидкого зносу деталі. ЕЕЛ в даному випадку приносить шкоду, особливо, якщо допустимий знос легованої поверхні перевищує товщину шару підвищеної твердості [Лазаренко Н.И. Электроискровое легирование металлических поверхностей. - М. Машиностроение, 1976. 45 с.]. Відповідно до джерела з рівня техніки [Андреев В.И. Повышение эксплуатационных характеристик рабочих поверхностей деталей // Вестник машиностроения.-1978.- № 7.- С.7172], "провал" твердості в зоні термічного впливу можна усунути шляхом застосування після ЕЕЛ додаткової обробки для створення наклепу методом поверхневого пластичного деформування. Проте в даному випадку загального підвищення твердості в перехідній зоні не спостерігається. У відповідності з джерелом з рівня техніки [Патент України на винахід № 103701, 23Н 5/00. Спосіб зміцнення поверхонь сталевих деталей, підданих термічній обробці. / B.C. Марцинковський, В.Б. Тарельник / Публікація: 11.11.2013, Бюл. № 21.(Прототип)], проведення іонного азотування (ІА) до або після ЕЕЛ дозволяє усунути зони зниженої твердості при застосуванні електродів з чистих твердих зносостійких металів. Крім того, спостерігається плавна зміна твердості зміцненого шару і збільшення загальної глибини зони підвищеної твердості. Відомий спосіб цементації сталевих деталей електроерозійним легуванням (ЦЕЕЛ) [Патент України на винахід № 82948, 23С 8/00. Спосіб цементації сталевих деталей електроерозійним легуванням/ B.C. Марцинковський, В.Б.Тарельник, А.В. Белоус / Опубл. 25.03.2008, бюл. № 10. (Прототип)], коли при ЕЕЛ як електрод застосовують графіт (вуглець). Спосіб ЕЕЛ має ряд переваг, основними з яких є: досягнення 100 % суцільності зміцнення поверхневого шару; підвищення твердості поверхневого шару деталі за рахунок дифузійно-гартівних процесів; легування можна здійснювати в строго зазначених місцях, не захищаючи при цьому решту поверхні деталі; відсутність об'ємного нагріву деталі, а отже, повідця і викривлень. 1 UA 118013 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 З метою зниження шорсткості поверхні деталей машин із збереженням якості поверхневого шару (відсутність мікротріщини, наявність шару підвищеної твердості, 100 % суцільність і ін.) і, отже, розширення області їх застосування, запропоновано ЕЕЛ проводити поетапно, знижуючи на кожному етапі енергію розряду [Патент України на винахід № 101715, 23Н 9/00. Спосіб цементації сталевих деталей електроерозійним легуванням/ B.C. Марцинковський, В.Б. Тарельник, М.П. Братущак / Опубл. 25.01.2013, Бюл. № 8]. У порівнянні з цементацією і загартуванням, процес азотування протікає при більш низькій температурі. Азотована поверхня має більш високу твердість, зносо - і корозійну стійкість, кращу полірованість; властивості азотованої поверхні, практично, не змінюються при повторних нагріваннях аж до 500-600 °C, у той час як при нагріванні цементованої і загартованої поверхні до 225-275 °C твердість останньої знижується. З огляду на таку властивість, у попередньо азотованій поверхні не слід очікувати зниження твердості в зоні термічного впливу після ЕЕЛ. При ЕЕЛ сталевої азотованої поверхні відбувається процес, аналогічний нітроцементації, тільки в даному випадку насичення поверхні азотом і вуглецем протікає по черзі, а при традиційній нітроцементації - одночасно. Для підвищення таких експлуатаційних характеристик деталей машин як зносостійкість і втомна міцність, зміцненню піддають, як правило, їх поверхневий шар. При цьому серцевина залишається більш м'якою і пластичною. У порівнянні зі звичайним рідинним (карбонітрація) і газовим азотуванням, переваги ІА полягають у можливості цілеспрямованого контролю структури одержуваного поверхневого шару, застосуванні відносно низьких температур (до 500 °C), відсутності повідця і викривлень, виключення наводнювання і запобігання розвитку процесів відпускної крихкості в основному металі, нешкідливість і екологічна безпека процесу, скорочення тривалості обробки. Тривалість ІА коливається від 0,5 до 36 год., залежно від необхідної глибини зміцненого шару [Полевой С. Н., Евдокимов В. Д. Упрочнение металлов. Справочник.- М.: Машиностроение, 1986.- С.135]. Після поверхневого зміцнення (цементацією, газовим азотуванням, карбонітрацією, іонним азотуванням та ін.), з метою усунення відхилення деталей від правильної геометричної форми, нерідко виникає необхідність у видаленні частини поверхні, причому найбільш твердої, так як при поверхневому зміцненні величина твердості знижується в міру поглиблення. Нерідко зміцнений поверхневий шар деталі видаляють після її збірки з іншими деталями, наприклад після напресовки на вал. У даному випадку може бути видалено від 0,05 до 0,15 мм шару. Відновити поверхневий шар такої деталі вищевказаними технологіями без необхідної попереднього розбирання, практично, неможливо як з причини великих розмірів вузлів, так і через необхідність піддавати зв'язані деталі, до яких були застосовані зазначені вище методи зміцнення, небажаному впливу. Відомий спосіб відновлення частково зношених поверхонь складових опорних валків, що включає розбирання вузла з подальшими операціями, які забезпечують відновлення його працездатності [В.П. Приходько, Ю.А. Офицеров, В.В. Гарькавый, А.Т. Чепелев, Ю.А. Грушко, И.А. Бобух, С.А. Новачук, В.Т. Лебедь, Е.И. Трейгер, В.М. Суханов, В.Д. Морозов и А.Е. Руднев А.с. 1696023, В21В 28/02; А1. Способ восстановления работоспособности составных опорных валков. Опубл.: Бюл. № 45, 07.12.91]. Основним недоліком цього способу є великі витрати на демонтаж вузла з подальшою часто повною заміною деяких деталей. Технічною задачею, на вирішення якої спрямовано технічне рішення, що заявляється, є забезпечення відповідної якості поверхні сталевих деталей, у яких в процесі виготовлення або після складання частково видаляється зміцнений поверхневий шар, без демонтажу вузла. Для вирішення поставленої задачі створено спосіб відновлення частково видаленого зміцненого шару сталевих деталей, отриманого іонним азотуванням з подальшим електроерозійним легуванням, що включає операцію електроерозійного легування графітовим електродом (ЕЕЛ), при якому, відповідно до технічного рішення, що заявляється, ЕЕЛ здійснюють з енергією розряду, при якій зона термічного впливу при легуванні не перевищує товщини залишку зміцненого іонним азотуванням поверхневого шару. При цьому після ЕЕЛ можуть застосовувати метод безабразивної ультразвукової фінішної обробки (БУФО). Крім того, ЕЕЛ можуть здійснювати поетапно, знижуючи енергію розряду на кожному наступному етапі. Слід зазначити, що в окремих випадках, хоча і вкрай рідко, коли після першого етапу ЕЕЛ величина шорсткості поверхні деталі знаходиться в необхідних межах технічного завдання, тобто задовольняє вимогам креслення, можна обмежитися одним етапом ЕЕЛ. Спосіб, що заявляється, може бути застосований для ремонту окремих вузлів деталей без їх демонтажу, зокрема, для відновлення зміцненого поверхневого шару захисної втулки кінцевого 2 UA 118013 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ущільнення ротора. Враховуючи вищесказане, представляє науковий і практичний інтерес проведення металографічних і дюрометричних досліджень сталевих поверхонь після їх ІА, видалення частини поверхневого шару і подальшого ЕЕЛ. Нижче наведена методика та результати проведених досліджень, а також приклад застосування технічного рішення, що заявляється, для ремонту конкретного виробу з посиланнями на ілюстративний матеріал, де на фіг. 1 представлено зразок для ІА та ЕЕЛ; на фіг. 2 представлена фотографія, що ілюструє процес обробки ЕЕЛ зразків зі сталі 40Х на токарному верстаті; на фіг. 3 представлені шліфи, виготовлені зі зразків, зміцнених відповідно до способу, що заявляється; на фіг. 4 та фіг. 5, відповідно, представлені мікроструктура і розподіл мікротвердості поверхневого шару зразків зі сталі 40Х після ІА; на фіг. 6 та фіг. 7, відповідно, представлені мікроструктура і розподіл мікротвердості поверхневого шару зразків зі сталі 40Х після ЕЕЛ; на фіг. 8 та фіг. 9, відповідно, представлені мікроструктура і розподіл мікротвердості поверхневого шару зразків зі сталі 40Х після ЕЕЛ+ІА; на фіг. 10 та фіг. 11, відповідно, представлені мікроструктура і розподіл мікротвердості поверхневого шару зразків зі сталі 40Х після ІА+ЕЕЛ; на фіг. 12 та фіг. 13, відповідно, представлені мікроструктура і розподіл мікротвердості поверхневого шару зразків зі сталі 40Х після ІА+ЕЕЛ, у яких після ІА частково було видалено зміцненого поверхневого шару на глибину - 0,05 мм; на фіг. 14 та фіг. 15, відповідно, представлені мікроструктура і розподіл мікротвердості поверхневого шару зразків зі сталі 40Х після ІА+ЕЕЛ, у яких після ІА частково було видалено зміцненого поверхневого шару на глибину -0,10 мм; на фіг. 16 та фіг. 17, відповідно, представлені мікроструктура і розподіл мікротвердості поверхневого шару зразків зі сталі 40Х після ІА+ЕЕЛ, у яких після ІА частково було видалено зміцненого поверхневого шару на глибину - 0,15 мм; на фіг. 18 та фіг. 19, відповідно, представлені мікроструктура і розподіл мікротвердості поверхневого шару зразків зі сталі 40Х після ІА+ЕЕЛ, у яких після ІА частково було видалено зміцненого поверхневого шару на глибину - 0,20 мм; на фіг. 20 представлено зовнішній вигляд захисної втулки кінцевого ущільнення ротора після зміцнення методом карбонітрації та очищення; на фіг. 21 представлено зовнішній вигляд втулки після ЕЕЛ; на фіг. 22 представлено зовнішній вигляд втулки після обробки БУФО. Для ІА і ЕЕЛ застосовували спеціальні зразки зі сталі 40Х, термооброблені на твердість 3000-3100 МПа. Зразки виготовляли у вигляді котушки, що складається з двох дисків діаметром 50 мм і шириною 10 мм, з'єднаних між собою проставкою діаметром 15 мм з двома технологічними ділянками такого ж діаметру (фіг. 1). Поверхні дисків шліфували до Ra=0,5 мкм. Процес ЕЕЛ проводили в автоматичному режимі за допомогою установки моделі "ЭИЛ - 8А". Зразки закріплювали в патроні токарного верстату, після чого проводили поетапне ЕЕЛ графітовим електродом марки ЭГ-4 (ОСТ 229-83) з енергією розряду 0,42 Дж (1-й етап) і 0,1 Дж 2 (2-й етап) з продуктивністю, відповідно 2 і 5 хв / см (фіг. 2). Іонне азотування зразків проводили при температурі 520 °C протягом 12 год. на установці НГВ-6,6 / 6-И1. Зміцнення зразків виконували в різній послідовності: ІА; ЕЕЛ; ЕЕЛ + ІА; ІА + ЕЕЛ (фіг. 4-фіг. 11). Крім того, деякі зразки піддавалися ІА, потім шліфовці на різну глибину (0,05; 0,10; 0,15 і 0,20 мм), (фіг. 12 - фіг. 19), а після цього проводилася ЕЕЛ. Причому зразки, у яких був видалений шар на глибину 0,05 і 0,10 мм піддавалися ЕЕЛ з енергією розряду 0,42 Дж (1-й етап) і 0,1 Дж (2-й етап), а на глибину 0,15 і 0,20 мм - 0,60 Дж (1-й етап) і 0,1 Дж (2-й етап). З метою зниження шорсткості поверхні після ЕЕЛ, застосовували БУФО. Зі зміцнених зразків вирізали сегменти, з яких виготовляли шліфи (фіг. 3). Шліфи досліджували на оптичному мікроскопі "Неофот-2", де проводилася оцінка якості шару, його суцільності, товщини і будови зон підшару - дифузійної зони і зони термічного впливу. Одночасно проводився дюрометричний аналіз на розподіл мікротвердості в поверхневому шарі і по глибині шліфа від поверхні. Замір мікротвердості проводили на мікротвердомірі ПМТ-3 вдавленням алмазної піраміди під навантаженням 0,05 Н. На всіх етапах обробки вимірювали шорсткість поверхні на приладі профілографі профілометрі мод. 201 заводу "Калібр". 3 UA 118013 U У табл. 1 представлено розподіл мікротвердості по глибині поверхневого шару і величини шорсткості поверхні при різних варіантах ІА і ЕЕЛ. Шорсткість і розподіл мікротвердості у поверхневому шарі сталі 40Х після зміцнення різними способами 5 Таблиця 1 Спосіб зміцнення 1 2 Мікротвердість основи 3000-3100 МПа ІА 7010 5010 ЕЕЛ 7010 5010 ЕЕЛ +ІА 8250 5490 ІА + ЕЕЛ 11190 5490 10 15 20 Ra, мкм Мікротвердість, МПа (крок вимірювання ~ 30 мкм) 3 4 4800 4010 5010 5220 4800 3860 5010 4600 5 6 7 8 9 10 4800 4010 3700 3000 3100 4600 4410 4410 3580 3000 4410 4410 4230 3860 3700 3100 0,5 0,8 0,8 0,8 На всіх мікрофотографіях чітко проглядається "білий" шар, що не піддається травленню звичайними реактивами. Його мікротвердість в залежності від виду зміцнення коливається від 7 010 МПа при ІА і ЕЕЛ до 8250 і 11190 МПа при ІА + ЕЕЛ і ЕЕЛ + ІА, відповідно. Нижче розташована перехідна дифузійна зона з плавно знижуваною мікротвердістю, що переходить у мікротвердість основи (3000-3100 МПа). Глибина зони підвищеної твердості становить при ЕЕЛ, ІА, ЕЕЛ + ІА, ІА + ЕЕЛ, відповідно, 60-70, до 190, 220 і 250 мкм. Як видно з табл. 2 і фіг. 4 - фіг. 11, найбільша товщина (250 мкм) і твердість зміцненого шару (11190 МПа) належать інтегрованому способу зміцнення ІА + ЕЕЛ (фіг. 11). При цьому шорсткість поверхні Ra, становить 0,8 мкм, що нижче, ніж при використанні в ЕЕЛ металевих електродів. Таким чином, найкращим способом підвищення твердості поверхневого шару сталевих деталей, у яких частково або повністю вилучений зміцнений поверхневий шар, є ЕЕЛ. Як уже зазначалося, в якості попереднього зміцнення найдоцільніше застосовувати ІА, що має ряд переваг перед іншими способами. Результати дослідження мікроструктури і мікротвердості поверхневого шару зразків сталі 40Х, зміцнених ІА і підданих шліфовці і ЕЕЛ, зведені в табл. 2 і представлені на фіг. 12 - фіг. 19. Шорсткість і розподіл мікротвердості у поверхневому шарі сталі 40Х після ІА, шліфовки та ЕЕЛ 25 Таблиця 2 Глибина шліфовки, мм 0,05 0,10 0,15 0,20 30 35 40 Ra, мкм ЕЕЛ БУФО Мікротвердість, МПа (крок вимірювання ~ 30 мкм) 1 8200 7650 7250 7200 2 6300 5200 4700 5490 3 4800 4800 4200 4220 4 4800 4000 4000 3800 5 4800 3700 3400 3100 6 4010 3200 3000 7 3000 3100 0,8 0,8 1.2 1,6 0,5 0,5 0,5 0,6 Аналіз фіг. 12-фіг. 19 і Таблиці 2 показує, що зі збільшенням глибини видаленого шару знижується товщина зміцненого шару і його мікротвердість після ЕЕЛ. У 2013 році ООО "ТРІЗ" ЛТД, м. Суми, виконав реконструкцію відцентрового компресора природного газу 22ЦКО поз. 252-3 цеху виробництва метанолу ВАТ НАК "Азот". При виробництві роторів для компресорів виникла проблема з виготовленням захисних втулок кінцевих ущільнень ротора, що встановлюються на вал ротора по гарячій посадці (фіг. 20).Традиційно, втулки виготовлялися з монель-металу (основа) марки НМЖМц 28-2,5-1,5 з нанесенням на зовнішню поверхню втулки зносостійких порошків та подальшим оплавленням покриття у вакуумній печі. Після виготовлення захисні втулки встановлюються на вал з натягом, обробляються ельборовими і гексанітовими різцями і поліруються ельборовим наждачним папером. Товщина нанесеного шару становить  2мм, а після проточки на валу – 1 мм, при загальній товщині втулки 3 мм. Як альтернатива для заміни захисних втулок з монель-металу на більш дешеві, але такі, що не поступаються за своїми експлуатаційними характеристиками монелевим, фахівцями "ТРІЗ" були розроблені два інших способи їх виготовлення. 4 UA 118013 U 5 10 15 Перший - виготовлення втулок зі сталі 38 × 2МЮА з подальшим зміцненням поверхневого шару методом карбонітрації у розплаві солей (фіг. 12). Глибина зміцненого шару при цьому складала 0,55-0,6 мм, а поверхнева твердість після карбонітрації -55-62 HRC. Температура зміцнення методом карбонітрації знаходиться в межах 540-600° С, що не перевищує температури відпустки сталі 38 × 2МЮА, яка складає 640 °C. Складність відпрацювання технології виготовлення втулок із застосуванням зміцнення поверхневого шару методом карбонітрації полягала у забезпеченні твердості поверхневого шару після гарячої посадки на вал ротора і шліфування, оскільки твердість зміцненого поверхневого шару, максимальна на поверхні, у міру поглиблення знижується, при цьому остаточна твердість поверхневого шару після шліфування залежить від глибини видаленого шару. Другий спосіб був вперше застосований під час зупинкового ремонту в березні 2014 року на ПАТ "АЗОТ" м. Черкаси при ремонті ротора КНД компресора, поз. 103J. Він полягав у тому, що після посадки на вал та шліфування втулок, підданих ІА, проводили їх поверхневе зміцнення методом ЕЕЛ з подальшою обробкою методом БУФО (фіг. 21 - фіг. 22). Ремонт було виконано у стислі терміни протягом 24 годин. При цьому параметри роботи ущільнення не змінилися. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 25 30 1. Спосіб відновлення частково видаленого зміцненого шару сталевих деталей, отриманого іонним азотуванням з подальшим електроерозійним легуванням, що включає операцію електроерозійного легування графітовим електродом (ЕЕЛ), який відрізняється тим, що ЕЕЛ здійснюють з енергією розряду, при якій зона термічного впливу при легуванні не перевищує товщини залишку зміцненого іонним азотуванням поверхневого шару. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що після ЕЕЛ застосовують метод безабразивної ультразвукової фінішної обробки (БУФО). 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що ЕЕЛ здійснюють поетапно, знижуючи на кожному наступному етапі енергію розряду. 4. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що відновлюють стальну деталь у вигляді захисної втулки кінцевого ущільнення ротора. 5 UA 118013 U 6 UA 118013 U 7 UA 118013 U 8 UA 118013 U 9 UA 118013 U 10 UA 118013 U 11 UA 118013 U 12 UA 118013 U 13 UA 118013 U Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 14

Дивитися

Додаткова інформація

Автори російською

Bogdan Antoszewski

МПК / Мітки

МПК: C23C 8/36, B23H 5/00, C23C 28/00

Мітки: деталей, частково, шару, відновлення, видаленого, сталевих, спосіб, зміцненого

Код посилання

<a href="http://uapatents.com/16-118013-sposib-vidnovlennya-chastkovo-vidalenogo-zmicnenogo-sharu-stalevikh-detalejj.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Спосіб відновлення частково видаленого зміцненого шару сталевих деталей</a>

Подібні патенти