CS212742B2 - Method of producing high temperature and abrasion resistant surface layers on the surface of metallic substrates - Google Patents

Description

Vynález se týká způsobu výroby povrchové vrstvy, odolné vůči vysoké teplotě a oděru, na povrchu kovového podkladu.

Zejména se vynález týká předmětů jako· jsou drticí plochy pro zařízení na slinování, přívodní žlaby pro posun koksu, násypky a tyče tyčových roštů, u kterých je třeba, aby povrch byl odolný vůči oděru za vysokých teplot, to jest za teplot přibližně mezi 322’ až711 °C.

Řada ocelových slitin má nezbytnou pevnost vůči značným namáháním. Tyto slitiny ovšem často mají malou odolnost vůči oděru nebo · opotřebení při zamýšleném jejich použití. Aby se vytvořila dokonalá odolnost vůči oděru, opatřují se tyto ocele často tvrzenými povrchy za použití materiálů odolných vůči opotřebení. Vysoké teploty, při nichž se předmětů používá, zavádějí tak značné mechanické a metalurgické proměnné do materiálů vytvářejících tvrdý povlak, že tyto materiály již nepůsobí uspokojivě. Výsledkem je, že jen malé množství z řady slitin vytvářejících běžné tvrdé povrchy vyhovuje pro používání za vyšších teplot, což jsou zejména slitiny na bázi kobaltu nebo niklu a austenitické slitiny niklu a železa. Tyto slitiny s tvrdým povrchem jsou však nesmírně drahé a jejich použití je časově náročné.

Oceli, které byly borovány různými postu2 py včetně práškové cementace a ukládání chemických par, mají značně vysokou odolnost vůči erozi. Povlaky, jež se vytvářejí těmito technickými postupy, jsou obvykle značně tenké a jejich tloušťka se · pohybuje od 0-,00254 do 0,000254 cm. Zvýšení tloušťky těchto povlaků je značně namáhavé. Metody popisu vynálezu v USA patentu č. 3 029 162 a 3 622 402. Tyto postupy jsou nesmírně pomalé a je třeba pro ně používat komorových pecí nebo retort a obecně se nehodí pro horování velkých předmětů, jako jsou drticí desky u zařízení pro slinování. Tyto povlaky se dále nehodí pro používání, kde dochází k · silným nárazům, protože jsou příliš tenké a nesmírně křehké.

Vynálezem byl nalezen způsob úpravy povrchů drticích desek a jiných předmětů, podléhajících vysokému opotřebení působením vysoké teploty a vysokého oděru, při kterém se metalurgicky váže na železný kovový podklad feroborová· tvrdá povrchová plocha za použití rychlé a relativně nenákladné metody ukládání povlaku aluminotermickou redukcí. Bylo· zjištěno, že v případě, kdy je přibližně 2 až 8 · % hmot, boru obsaženo ve výsledném vnějším povrchu, je tento povrch tvrdý a odolný vůči oděru. Mimo očekávání se zjistilo, že odolnost vůči oděru zůstávala dobrá při zvýšených teplotách, to jest od 378 do 711 °C.

.1 2 7 4 2

Podstata vynálezu záleží tedy v tom, že kovový podklad se opatří metalurgicky vázanou vrstvou, tvořenou železem jako základní hmotou, a na tento povrch se nanese směs 15 až 35 dílů práškového exotermického paliva, 65 až 85 dílů částicového kysličníku železa a dále částicového ferroboru v množství dostatečném к tomu, aby obsah boru činil 4 až 8 % hmotnostních, vztaženo na množství železa.

Podle výhodného provedení vynálezu je uvedené exctermické práškové palivo tvořeno skupinou zahrnující hliník, vápník, hořčík, křemík, slitinu vápníku a křemíku a jejich směsi.

Podle dalšího provedení vynálezu se podklad předehřeje na teplotu mezi 600 až 933 stupni Celsia.

Účelně se použije jako kysličníku železa kysličníku železitého.

Podle jiného provedení vynálezu má práškový kysličník železa zrnění alespoň odpovídající — 35 mesh, a práškové palivo zrnění mezi —20 mesh a 4-325 mesh.

Podle dalšího provedení vynálezu se ferobor drtí na zrnění alespoň —2'0 mesh.

Na rozdíl od dosavadního stavu techniky, který složitým nákladným a zdlouhavým způsobem mohl dosáhnout pouze velmi tenkých vrstev, a to na malých předmětech, umožňuje způsob podle vynálezu vytvářet rychle, levně a jednoduše tvrdé povlaky a na značně velkých předmětech.

Vynález bude vysvětlen na příkladu provedení v souvislosti s výkresy, kde obr. 1 znázorňuje svislý řez tělesem obloženým na obvodu žáruvzdornou hmotou, a nezbytné materiály, rozložené к provádění způsobu podle vynálezu, obr. 2 je svislý příčný řez obdobný jako obr. 1 po průběhu aluminothermické redukce podle vynálezu, o»br. 3 je svislý řez složeným produktem podle vynálezu, obr. 4 je svislý řez obdobný jako obr. 1 s jiným uspořádáním žáruvzdorného obložení, obr. 5 je grafické znázornění porovnávající odolnost feroborové slitiny vůči oděru na povrchu podle vynálezu ve funkčním vztahu к procentnímu podílu boru v tvrdém povrchu, obr. 6 je dílčí průřez zařízením pro posun koksu, obr. 7 je dílčí průřez jiným provedením zařízení pro posun koksu, obr. 8 je průřez násypkou s tvrdým povrchem pro horký a zrnitý materiál a obr. 9 je isometrický pohled na tyčový rošt určený pro drcení slinutých materiálů ze tepla.

Ja patrno z obr. 1, ocelový podklad 10 se uloží na pískové pole 12 a úroveň pístu se vyrovná na úroveň horního povrchu ocelového podkladu 10. Obvodové těleso 14 obložené žáruvzdorným materiálem a mající ocelové vnější stěny s přírubami 16 pro zachycení jeřábu se žáruvzdorným obložením 20, které je v tomto případě tvořeno grafitem, má vnitřní rozměry odpovídající vnějším rozměrům ocelového podkladu 10. Obvodové těleso 14 je uloženo na pískovém poli 12 obklopujícím ocelový podklad 10. V obvodovém tělesu 14 se umístí náplň nebo směs 24 pro· aluminotermickou redukci v jednotné hloubce alespoň o tloušťce 1,27 cm a až do přibližně 29,48 cm. Výsledná tvrdá povrchová vrstva 25 bude mít tloušťku přibližně 1/6 průměrné hloubky původní práškové náplně 24. Prášková náplň 24 se skládá přibližně ze tří dílů práškového kysličníku železa, jímž je s výhodou kysličník železitý Fe20s, může však to být také kysličník železnatý FesO4, s výhodou mající velikost částic nejméně o jemnosti —35 mesh a z jednoho dílu práškového hliníku, s výhodou mající velikost částic přibližně —20 mesh až 4- 325 mesh a dále dostatečné množství feroboru, aby se ve výsledné tvrdé povrchové směsi vázalo od 2 do 8 % boru. Ferobor se přidá ve formě rozdrcených zrn, s výhodou o velikosti —20 mesh. Složení základní hmoty pro aluminotermickou redukci je 65 až 85 dílů kysličníku železa a 15 až 35 dílů hliníku. Obvykle se používá stechiometrických množství, bylo však s dobrými výsledky také použito až 5 % přebytku některé z obou složek.

Žáruvzdorné desky 26, například grafitové, znázorněné na obr. 1, se vloží na povrch obvodového tělesa 14. Jedna z desek je opatřena otvorem 30, kterým se náplň 24 zapaluje. Tyto žáruvzdorné desky 26 zabraňují rozstřikování, udržují reakční teplo náplně 24 a nutí, aby toto teplo pronikalo do podkladu 10, a tím zvyšuje přilnavost tvrdé povrchové vrstvy 25. Náplň 24 se zapálí běžnými prostředky, jako· například svářecím plamenem, skrze otvor 30, čímž se zapálí práškové palivo, v tomto případě hliník. Lze použít také jiných paliv místo hliníku, jako hořčíku, vápníku, křemíkových a vápenatokřemíkových slitin. Tato paliva mohou podle potřeby nahradit jen část práškového hliníku. Reakce je velmi exotermická a z ní vznikají produkty o vysokém stupni přehřátí, z nichž se odděluje hustá kovová fáze a metalurgicky se váže na podklad 10. Méně hustá strusková vrstva 32 se shromažďuje na vrcholu kovové fáze. Po dokončení reakce se grafitové desky 26 z horní části obvodového tělesa 14 odstraní a hotový produkt se isoluje. Isolace (neznázorněno) se provádí tím, že se položí na horní struskovou vrstvu kryt z minerální vlny (Kaawool) nebo sypkého písku. To způsobuje, že kov tuhne od spodu a podporuje se tím vytvoření dobré neporézní tvrdé povrchové vrstvy 25. Produkt se nechá chladit tak dlouho, dokud tvrdý povlak neztuhne, a potom se isolace a obvodové těleso 14 mohou odstranit. Struska 32 se odstraňuje odloupáním tak, aby zbyla na železném podkladu 10 oděru odolná povrchová vrstva 25, obsahující bor. Povrch každého podkladu, který byl vytvořen aluminotermickou reakcí, bylo třeba až dosud očisťovat způsobem popsaným v popisu vynálezu v USA patentu č. 3 264 696. Podle vynálezu bylo shledáno, že tato úprava povrchu podkladu je zcela zbytečná.

Jak možno zjistit na grafu podle obr. 5, v případě, že je v tvrdém povrchové vrstvě méně než 1 až 1/2 °/o boru, nemá tato vrstva lepší odolnost v oděru než běžná ocel. Další množství boru v tvrdém povrchu . zvyšuje odolnost vůči oděru a maximum této odolnosti se dosáhne, když obsah boru je přibližně 5,5 %. Úroveň křivky od této hodnoty je v podstatě neměnná a nezískají se žádné výhody, když se přidává jakékoli množství boru nad 7 nebo 8 %. Další množství boru zvyšuje náklady bez dalšího růstu odolnosti v oděru a kromě toho vyvolává větší křehkost tvrdého povrchu. Proto i když rozmezí od ^: 1 až 1/2 % do 8 % boru je množství v mezích úvah podle vynálezu, je výhodné množství 4 až 7 % boru, s optimální hladinou boru mezi 5,5 do 7 ⁱ⁰/o.

Až dosud bylo známo, že difuse boru do železných povrchových ploch podporuje odolnost vůči oděru tím, že vnější vrstva bude tvrdší. Je také známo, že lze na železné povrchy nanášet feroborové povlaky plamenem nebo plasmovým stříkáním. Při stavu techniky před vynálezem bylo však dosaženo maximální tloušťky feroborových povlaků přibližně 0,0254 mm. Podle vynálezu se vytváří tvrdý feroborový povlak, který se skládá ze základní železné hmoty obsahující přibližně 20 až 90 % obj. boridu železnatého FesB, s výhodou 46 až 80 % obj. boridu železnatého s optimálním rozmezím 60 až 80 % obj. boridu železnatého FezB. Tento tvrdý povlak má nejmenší tloušťku asi 0;254 centimetrů a s výhodou nikoliv méně než 0,635 cm. Způsobem podle vynálezu je možno· vytvářet tvrdé povrchy i o tloušťce 5,08 centimetrů nebo o vyšší tloušťce.

když výhodné provedení podle vynálezu spočívá na základní železné hmotě obsahující borid železnatý, FezB na železném povrchu, lze tvořit tvrdé povrchové vrstvy z jakéhokoliv kovu tvořícího základní hmotu nebo slitiny na většině kovových · povrchů. Vhodnými podklady jsou měď, cín, nikl, chrom; kobalt, molybden, stejně jako- mosaz, bronz, železné a neželezné slitiny a nerezavějící oceli.

Podklad 10 se má předehřát před umístěním na pískové lože 12. Podklad 10 se může předehřívat na jakoukoliv teplotu nižší než je bod tání podkladu, je však výhodné předehřívat na teploty v rozmezí 600 · až 933 °C s optimální teplotou 822 °C.

Alternativní uspořádání obvodového· tělesa 34 odpovídajícího tělesu 14, je znázorněno na obr. 4. Postranní části obvodového· tělesa 34 jsou výše než je výška grafitového obložení 20. Tím se zajistí lepší usazení žáruvzdorných desek 26.

Drticí deska pro zařízení na slinování, o složení znázorněném na obr. 3, bývá zavěšena obvykle v úhlové poloze pro horký slinutý materiál, který na ni padá a klouže dolů do drtícího zařízení. Postup práce v zařízení pro slinování vyžaduje takové desky, které by byly odolné vůči oděru za teplot všeobecně přibližně 489 °C. Deska, která má tvrdý povrch se základní hmotou z nerezavějící oceli a obsahující účinné množství boridu železnatého· FezB, bude odolná jak vůči korozi, tak vůči oděru.

Na obr. 6 je znázorněno zařízení 38 pro posun koksu, které má narážecí člen. 40 obsahující tři složené desky 41, 42 a 43, které mají tvrdý povrch podle vynálezu. Protože zařízení 38 pro posun koksu se pohybuje u dna pece s horkým koksem, aby vytlačilo z pece koks, je čelní tvrdá část u spodní části vytlačovacího- zařízení 38, kde je odolnost vůči oděru nanejvýše naléhavá.

Na obr. 7 je znázorněno jiné provedení obdobného vytlačovacího zařízení 44, které má na obou koncích železný kovový základ 46. Spodní část 47 se napřed opatří tvrdým povlakem, načež potom se okraje 48 a 49 opatří tvrdým povlakem buď postupně, nebo současně za použití k tomu přizpůsobeného · zařízení.

Násypka 50 pro horký zrnitý materiál, jako· koks nebo produkty slinování, je znázorněna na obr. 8. Tři podélné desky 52, 53, 54 jsou opatřeny tvrdým povlakem a podélně svářeny k vytvoření žlabu, který má tvrdý povlak 56, na vnitřní, oděru podléhající straně.

Obr. 9 znázorňuje tyčové prvky 60 pro rotační lamač v aglomeračním zařízení. Tvrdé povrchy 63 se vytvářejí na místech nejvýše namáhaných, a to pod ramenem 64 lamače a v poloze 66, takže tyč se může otáčet za zdvojnásobnění délky doby její použitelnosti. Jako alternativa ss může celý horní povrch tyče opatřit tvrdým povlakem.

Je možno také tvořit tvrdé povlaky na podkladě se šikmými nebo zakřivenými povrchy, když se použije speciálního uspořádání · obvodového tělesa 14 podle obr. 1.

Vynález zahrnuje směsi pro tvrdé povlaky, včetně směsí pro¹ exo-termické reakce tvořené exotermickým práškovým palivem, jako hliníkem nebo jinými palivy výše uvedenými, dále částicový materiál tvořící základní hmotu obsahující redukovatelný kysličník alespoň jednoho ze základních kovů, jako kysličník železitý nebo kysličník železitý FezOj_: a kysličník chromitý CrCU, jež tvoří základní hmotu pro nerezavějící ocel, a dále účinné množství boru, kysličník boritý nebo· ferobor, s výhodou jako FeB v dostatečném množství k vyvolání požadované odolnosti vůči oděru ve vznikající tvrdé vrstvě.

Z toho co bylo uvedeno je zřejmé, že vynález vytvořil způsob, kterým lze kovový předmět opatřit tvrdým povrchem odolným vůči vysoké teplotě a vůči oděru. Předmětem vynálezu jsou i oděru odolné drticí desky v zařízení pro slinované produkty, dále oděru odolná zařízení pro posun koksu, dále oděru a vysoké teplotě odolné tyčové prvky a oděru odolné a vysoké teplotě odolné násypky pro horký zrnitý materiál.

Claims (7)

1. Způsob výroby povrchové vrstvy, odolné vůči vysoké teplotě a oděru, na povrchu kovového podkladu, vyznačující se tím, že kovový podklad se opatří metalurgicky vázanou vrstvou, tvořenou železem jako základní hmotou, a na tento povrch se nanese směs 15 až 35 dílů práškového exotermického paliva, 65 až 85 dílů částicového kysličníku železa a dále částicového ferroboru v množství dostatečném к tomu, aby obsah boru činil 4 až 8 % hmotnostních, vztaženo na množství železa.

2. Způsob podle bodu 1, vyznačující se tím, že uvedené exotermické práškové palivo je tvořeno skupinou zahrnující hliník, vápník, hořčík, křemík, slitinu vápníku a křemíku a jejích směsi.

3. Způsob podle bodu 1, vyznačující se tím, že podklad se předehřeje na teplotu mezi 600 až 933 °C.

4. Způsob podle bodů 1 až 3, vyznačující se tím, že se použije jako kysličníku železa kysličníku železitého.

5. Způsob podle bodů 1 až 4, vyznačující se tím, že práškový kysličník železa má zrnění alespoň odpovídající —35 mesh.

6. Způsob podle bodů 1 až 5, vyznačující se tím, že práškové palivo má zrnění mezi —20 mesh a +325 mesh.

7. Způsob podle bodů 1 až 6, vyznačující se tím, že ferrobor se drtí na zrnění alespoň —20 mesh.