Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ЛЕЗВИЙ РАБОЧИХ ОРГАНОВ МАШИН

Изобретение относится к технологиям, обеспечивающим повышение износостойкости деталей за счет изменения состава и структуры их поверхностных слоев, и может быть использовано для упрочнения лезвий рабочих органов почвообрабатывающих, строительных, добывающих и других машин, работающих в условиях интенсивного абразивного изнашивания при значительных динамических нагрузках.

Известен способ получения биметаллического покрытия для рабочих органов почвообрабатывающего орудия, включающий фрезерование наплавляемых режущих кромок рабочих органов, нанесение слоя порошкового материала и его облучение гамма-квантами интегральной дозой 1×10³…1×10⁷ рад с последующей наплавкой в индукторе токами высокой частоты [Патент РФ 2360768, B22F 1/00, B23K 13/01, опубл. в Б.И. №19, 2009].

Недостатком данного способа является использование при наплавке облученного порошкового материала, что существенно увеличивает стоимость упрочненной детали. Кроме этого необходимость использования особых мер безопасности при работе с радиоактивными материалами существенно ограничивает область возможного применения данного способа.

Известен способ упрочнения лезвий рабочих органов почвообрабатывающих орудий. Он включает нагрев поверхности тыльной стороны лезвия рабочего органа электрической дугой обратной полярности с использованием угольного электрода и последующее охлаждение, при этом перемещение электрода производят по криволинейной траектории. Горение электрической дуги осуществляют в импульсном режиме, при этом длительность и амплитуду импульсов тока за один оборот электрода увеличивают при удалении от острой кромки лезвия и уменьшают при приближении к нему [Патент РФ 2420601, C21D 9/18, C21D 5/00, опубл. в Б.И. №16, 2011].

Недостатком данного способа является сложность обеспечения траектории движения электрода с его одновременным вращением, что приводит к снижению качества упрочненных лезвий рабочих органов машин.

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности и достигаемому результату является способ повышения износостойкости стальных изделий, включающий термодиффузионное насыщение поверхности углеродом (за счет кратковременной высокотемпературной цементации в твердом карбюризаторе) и карбидообразующими элементами из среды легкоплавких растворов при температуре 1100°C в течение 30 мин [Патент РФ 2293792, C23C 12/00, опубл. в Б.И. №5, 2007 - прототип].

Однако при использовании данного способа не обеспечивается высокая ударная вязкость рабочих органов, работающих при значительных статических и динамических нагрузках в условиях интенсивного абразивного изнашивания, что приводит к снижению их износостойкости.

Задачей изобретения является повышение долговечности упрочненных рабочих органов машин.

Техническим результатом изобретения является повышение ударной вязкости и износостойкости упрочненных рабочих органов машин.

Поставленная задача и указанный технический результат достигаются за счет того, что в заявляемом способе упрочнения лезвий рабочих органов машин, включающем термодиффузионное насыщение лезвия, согласно изобретению перед термодиффузионным насыщением на упрочняемое лезвие наносят пасту, содержащую порошок ПГ-СР4 - 20-30, карбид кремния - 50-55, карбамид - 10-15 и алюминиевый порошок дисперсностью 1,5-2,0 мкм - остальное, термодиффузионное насыщение осуществляют компонентами упомянутой пасты за счет ее нагрева электрической дугой с получением на упрочняемом лезвии металлокерамического покрытия, после термодиффузионного насыщения рабочий орган нагревают до температуры 780…800°C, при этом время нагрева составляет в среднем 1 мин на 1 мм его толщины, а время выдержки - 1/5 от времени нагрева, затем проводят закалку в трансформаторном масле и отпуск с нагревом до 170…180°C и выдержкой при данной температуре в течение 5 мин.

Способ осуществляют следующим образом.

Вначале на упрочняемое лезвие рабочего органа наносят пасту. Паста готовится путем смешения следующих компонентов: порошок типа ПГ-СР4, являющийся матрицей - 20…30%, карбид кремния SiC - 50…55%, карбамид (техническая мочевина) NH₂CONH₂ - 10...15%, алюминиевый порошок дисперсностью 1,5…2,0 мкм - остальное. В качестве связующего используют 20% водный раствор натриевого жидкого стекла Na₂SiO₃. Толщина слоя пасты - 2,5…3,0 мм, после нанесения она высушивается до затвердевания. При температуре 90…95°C время затвердевания не превышает 8…10 мин.

После этого производят термодиффузионное насыщение упрочняемого лезвия, одновременно получая на нем металлокерамическое покрытие. Для этого используют установку ВДГУ-2, разработанную и производимую ГНУ ГОСНИТИ Россельхозакадемии. Установка содержит инверторный источник тока, пульт управления и вибратор с закрепленным в нем графитовым электродом диаметром 6…10 мм. Между графитовым электродом и упрочняемым лезвием с нанесенным слоем пасты зажигают электрическую дугу прямого действия обратной полярности, в результате чего за счет термодиссоциации компонентов пасты происходит термодиффузионное насыщение упрочняемой поверхности азотом и углеродом. Процесс ведут на следующих режимах: сила тока - 80…90A, напряжение - 60…65 B, частота вибрации графитового электрода - 100…120 колебаний в секунду. Одновременно с термодиффузионным насыщением при горении электрической дуги на упрочняемом лезвии из компонентов пасты образуется металлокерамическое покрытие. В его состав входит порошок типа ПГ-СР4, являющийся основой (матрицей) покрытия, а также оксиды алюминия, карбиды и нитриды бора, являющиеся упрочняющими компонентами. Нитриды бора в составе металлокерамического покрытия образуются за счет термодиссоциации карбамида NH₂CONH₂, входящего в состав пасты, а оксиды алюминия - за счет термодиссоциации и окисления алюминия, также являющегося одним из компонентов пасты. Вибрация графитового электрода позволяет получить более плотное и прочное металлокерамическое покрытие. Периодическое перемещение графитового электрода позволяет упрочнить все лезвие рабочего органа. Толщина полученного металлокерамического покрытия составляет 1,0…1,2 мм, глубина термодиффузионного упрочнения - 1,5…1,6 мм, твердость - 80…85 HRC.

Затем упрочняемый рабочий орган помещают в индуктор и нагревают токами высокой частоты до температуры 780…800°C, при этом время нагрева составляет в среднем 1 мин на 1 мм толщины рабочего органа, а время выдержки - 1/5 от времени нагрева. После этого производят закалку рабочего органа в трансформаторном масле и отпуск с нагревом до температуры 170…180°C и выдержкой в течение 5 мин. Данная технологическая операция необходима для снятия внутренних термических напряжений, получения карбидов железа из углерода, который насыщает упрочняемое лезвие при термодиффузии, а также для повышения ударной вязкости упрочненного рабочего органа.

Благодаря тому, что металлокерамическое покрытие, образующееся на упрочняемом лезвии, состоит из относительно мягкой и эластичной стальной матрицы и включенных в ее состав сверхтвердых керамических компонентов (оксидов алюминия, карбидов и нитридов бора), упрочненные рабочие органы имеют высокую ударную вязкость. Кроме этого полученная структура покрытия, а также термодиффузионное насыщение упрочняемого лезвия азотом и углеродом приводят к существенному увеличению износостойкости и долговечности упрочненного рабочего органа (таблица).

Как видно из таблицы, предлагаемый способ упрочнения лезвий рабочих органов машин позволяет в среднем в 2 раза увеличить ударную вязкость упрочненного рабочего органа и в 2,5 раза - его износостойкость. В результате долговечность упрочненных рабочих органов машин увеличивается не менее чем в 2 раза.