RU2699599C1 - Method of steel surface hardening - Google Patents

Method of steel surface hardening Download PDF

Info

Publication number
RU2699599C1
RU2699599C1 RU2018137736A RU2018137736A RU2699599C1 RU 2699599 C1 RU2699599 C1 RU 2699599C1 RU 2018137736 A RU2018137736 A RU 2018137736A RU 2018137736 A RU2018137736 A RU 2018137736A RU 2699599 C1 RU2699599 C1 RU 2699599C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
arc
carbon electrode
electrode
hardened surface
ceramic
Prior art date
Application number
RU2018137736A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Анатолий Афанасьевич Аникин
Сергей Борисович Вениг
Василий Васильевич Тимофеев
Алексей Геннадьевич Уфаев
Михаил Евгеньевич Положенков
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского"
Priority to RU2018137736A priority Critical patent/RU2699599C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2699599C1 publication Critical patent/RU2699599C1/en

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/78—Combined heat-treatments not provided for above
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C26/00—Coating not provided for in groups C23C2/00 - C23C24/00

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Discharge Heating (AREA)

Abstract

FIELD: metallurgy.
SUBSTANCE: invention relates to hardening of steel and can be used in agricultural machine building to improve wear resistance of tiller blades. Method of steel surface hardening includes heating of surface by electric arc of reverse polarity using first carbon electrode, movement of electrode along hardened surface and addition of ceramic additives. In addition to movement of the first carbon electrode along the hardened surface, it is moved towards the hardened surface at a rate equal to its wear rate and providing a constant arc gap. Strengthened surface ahead of moving first carbon electrode is heated with electric arc of direct polarity using second carbon electrode to temperature of not less than 800 °C, and ceramic additives are introduced into a pool of molten metal formed in the form of a mixture of powders formed behind the first electrode.
EFFECT: enabling the steel surface hardening with the help of a carbon electrode and an electric arc of reverse polarity, which is steadily burning throughout the hardened surface with constant current and constant arc gap.
7 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области упрочнения стали путем нагрева электрической дугой обратной полярности с использованием угольного электрода и может быть использовано в сельскохозяйственном машиностроении для повышения износостойкости лезвий почвообрабатывающих орудий.The invention relates to the field of hardening of steel by heating with an electric arc of reverse polarity using a carbon electrode and can be used in agricultural engineering to increase the wear resistance of the blades of tillage tools.

Известен способ упрочнения поверхности изделий из чугуна, в соответствии с которым упрочняемую сторону нагревают сварочной дугой при помощи неплавящегося угольного электрода при силе тока 180-200 А, а затем охлаждают со скоростью 400-500°С/с (см. авторское свидетельство СССР №1171538 по кл. МПК C21D 5/00, опуб. 07.08.1985). There is a method of hardening the surface of cast iron products, in accordance with which the hardenable side is heated with a welding arc using a non-consumable carbon electrode at a current strength of 180-200 A, and then cooled at a speed of 400-500 ° C / s (see USSR author's certificate No. 1171538 according to class IPC C21D 5/00, publ. 08/07/1985).

Недостатком данного способа является неустойчивое горение дуги при использовании серийных источников питания сварочной дуги (сварочных аппаратов), у которых напряжение холостого хода чаше всего составляет 70-80В, а напряжение горения дуги составляет 30-40В. Этот недостаток приводит к неравномерности формы, твердости, структуры и химического состава упрочненного слоя по его длине.The disadvantage of this method is the unstable burning of the arc when using serial power sources of the welding arc (welding machines), in which the open circuit voltage is most often 70-80V, and the arc burning voltage is 30-40V. This disadvantage leads to uneven form, hardness, structure and chemical composition of the hardened layer along its length.

Проведенные исследования показали, что, например, при токе обратной полярности 200А и диаметре угольного электрода 10мм горение дуги происходит на дуговом зазоре 0,4-1,0мм. При этом, электрическая дуга горит ниже упрочняемой поверхности – утопленная дуга. Износ электрода составляет 8мм на 100мм хода. Горение дуги наблюдается только над слоем расплавленного металла, то есть над поверхностью с температурой не менее 1500 -1600°С.Studies have shown that, for example, with a current of reverse polarity 200A and a diameter of a carbon electrode of 10 mm, the arc burns at an arc gap of 0.4-1.0 mm. In this case, the electric arc burns below the hardened surface - a recessed arc. Electrode wear is 8mm per 100mm stroke. Arc burning is observed only over a layer of molten metal, that is, above a surface with a temperature of at least 1500 -1600 ° C.

При этом неустойчивость горения дуги связана с непрерывным износом угольного электрода, низкой скоростью прогрева металла впереди перемещаемого электрода и малой величиной дугового зазора. Износ электрода приводит к увеличению дугового зазора до величины, превышающей диапазон существования электрической дуги обратной полярности и прекращению горения дуги. Скорость прогрева металла впереди перемещаемого электрода определяется неравномерным распределением тепла, образующегося в результате горения электрической дуги. В данном направлении поступает не более 10% от всего теплового потока создаваемого дугой. Недостаточный прогрев металла впереди перемещающегося электрода приводит к короткому замыканию между электродом и упрочняемой поверхностью и прекращению горения дуги. При ручном перемещении электрода износ электрода и недостаточный прогрев металла в направлении перемещения не позволяют длительное время удерживать стабильно горящую дугу на зазоре 0,4-0,8мм, то есть процесс происходит с частыми обрывами горения дуги. Это приводит к образованию неровностей на упрочняемой поверхности и неравномерности в распределении углерода в упрочняемом слое.In this case, the instability of arc burning is associated with continuous wear of the carbon electrode, low heating rate of the metal in front of the moved electrode and the small size of the arc gap. Deterioration of the electrode leads to an increase in the arc gap to a value exceeding the range of existence of the electric arc of reverse polarity and cessation of arc burning. The rate of heating of the metal in front of the moved electrode is determined by the uneven distribution of heat generated as a result of the burning of the electric arc. In this direction, no more than 10% of the total heat flux generated by the arc is supplied. Insufficient heating of the metal in front of the moving electrode leads to a short circuit between the electrode and the hardened surface and the cessation of arc burning. With manual movement of the electrode, electrode wear and insufficient heating of the metal in the direction of movement do not allow for a long time to keep a stably burning arc at a gap of 0.4-0.8 mm, that is, the process occurs with frequent breaks in the burning of the arc. This leads to the formation of irregularities on the hardened surface and uneven distribution of carbon in the hardened layer.

Известен также вибродуговой способ упрочнения поверхности стальных изделий (см. патент РФ №2563572 по кл. МПК С23С 8/22, опубл. 20.09.2015). В данном способе угольному электроду, который перемещается вдоль упрочняемой поверхности, сообщают колебательные движения с частотой 5-20 Гц, причем на каждом колебании упомянутый электрод вводят в контакт с упрочняемой поверхностью, продолжительность которого устанавливают 0,02-0,05 с. То есть периоды короткого замыкания и горения дуги, в отличие от первого способа, становятся упорядоченными по времени, что приводит к квазиустойчивому горению дуги и, как следствие, к повышению качества упрочняемой поверхности.There is also a known vibration-arc method of hardening the surface of steel products (see RF patent No. 2563572, class IPC C23C 8/22, publ. 09/20/2015). In this method, the carbon electrode, which moves along the hardened surface, is informed of oscillatory movements with a frequency of 5-20 Hz, and at each oscillation, said electrode is brought into contact with the hardened surface, the duration of which is set to 0.02-0.05 s. That is, the periods of short circuit and burning of the arc, in contrast to the first method, become ordered in time, which leads to quasi-stable burning of the arc and, as a consequence, to improving the quality of the hardened surface.

Общим недостатком вышеприведенных способов является то, что для упрочнения поверхности используется только явление насыщения стали углеродом при горении дуги с угольного электрода обратной полярности и не предусмотрена возможность внесения в расплавленную ванну легирующих элементов и порошков для получения металлокерамических композитов.A common disadvantage of the above methods is that only the phenomenon of steel saturation with carbon during arc burning from a carbon electrode of reverse polarity is used to harden the surface and it is not possible to introduce alloying elements and powders into the molten bath to obtain ceramic-metal composites.

Наиболее близким к заявляемому является способ упрочнения изделий с использованием графитового электрода и металлокерамических паст (см. статью «Импортозамещающие технологии восстановления и упрочнения рабочего оборудования, строительных и дорожных машин» авторов Карелиной М.Ю., Титова Н.В., Коломейченко А.В. и др.// Научно-технический журнал «Строительные и дорожные машины», №8, 2015 год, стр. 34-37), состоящих из стальной матрицы (наплавочный порошок), керамических компонентов (оксид алюминия Al2O3, двуокись кремния SiO2), карбида бора (бора BС4), азотсодержащих веществ, и криолита Na3AlF6, улучшающего стабильность и качество горения дуги.Closest to the claimed is a method of hardening products using a graphite electrode and cermet pastes (see article "Import-substituting technologies for the restoration and hardening of working equipment, construction and road machines" by authors Karelina M.Yu., Titova N.V., Kolomeychenko A.V. . and other // Scientific and technical magazine "Building and road machines", No. 8, 2015, pp. 34-37), consisting of a steel matrix (surfacing powder), ceramic components (aluminum oxide Al 2 O 3 , dioxide silicon SiO 2 ), boron carbide (boron BC 4 ), nitrogen-containing substances, and cryolite Na 3 AlF 6 , which improves the stability and quality of arc burning.

Способ осуществляют методом вибродугового плавления путём создания между графитовым электродом и упрочняемой поверхностью с нанесенным слоем пасты электрической дуги обратной полярности, в результате чего на упрочняемой поверхности из компонентов пасты образуется металлокерамическое покрытие. Вибрация графитового электрода позволяет получить плотное и прочное металлокерамическое покрытие. Одновременно с образованием покрытия при горении электрической дуги происходит легирование упрочняемой поверхности компонентами пасты вследствие термодиссоциации ее компонентов, а также углеродом за счет его диффузии вследствие сублимации графитового электрода. Вибродуговое плавление осуществляют на установке ВДГУ-2, разработанной и производимой в ФГБНУ ГОСНИТИ, содержащей инверторный источник тока, пульт управления и вибратор с закрепленным в нем графитовым электродом диаметром 6…10 мм. The method is carried out by the method of vibratory arc melting by creating a reverse-polarity electric arc between a graphite electrode and a hardened surface with a paste layer of paste, as a result of which a ceramic-metal coating is formed from the components of the paste. Vibration of the graphite electrode allows you to get a dense and durable ceramic-metal coating. Simultaneously with the formation of a coating during the burning of an electric arc, the hardened surface is doped with paste components due to the thermal dissociation of its components, as well as carbon due to its diffusion due to the sublimation of the graphite electrode. Vibration arc melting is carried out at the VDGU-2 installation, developed and manufactured at the Federal State Budgetary Institution of Higher Education and Research, which contains an inverter current source, a control panel and a vibrator with a 6 ... 10 mm diameter graphite electrode fixed in it.

Недостатком этого способа является то, что керамические порошки, которые являются не электропроводным материалом, наносятся на электропроводную сталь впереди горящей дуги, что препятствует зажиганию дуги и требует введения в состав пасты материалов, способствующих горению дуги. При этом, попадание порошка в зону дугового разряда, то есть в зону с температурой свыше 40000С, приводит к разложению и растворению керамических компонентов композита в расплаве и, как следствие, снижению твердости металлокерамического композита. Также дополнительная операция нанесения пасты с последующим высыханием увеличивает время на упрочнение поверхности, то есть снижает производительность.The disadvantage of this method is that ceramic powders, which are not an electrically conductive material, are applied to the electrically conductive steel in front of the burning arc, which prevents the ignition of the arc and requires the introduction of materials contributing to the burning of the arc. In this case, the ingress of powder into the arc discharge zone, that is, into the zone with a temperature above 4000 0 С, leads to decomposition and dissolution of the ceramic components of the composite in the melt and, as a result, a decrease in the hardness of the ceramic-metal composite. Also, the additional operation of applying the paste with subsequent drying increases the time for hardening the surface, that is, reduces productivity.

Технической проблемой настоящего изобретения является создание способа упрочнения поверхности стали при помощи угольного электрода и электрической дуги обратной полярности, устойчиво горящей на всем протяжении упрочняемой поверхности с постоянным током и постоянным дуговым зазором. The technical problem of the present invention is the creation of a method of hardening the surface of the steel using a carbon electrode and an electric arc of reverse polarity, steadily burning throughout the hardened surface with a constant current and a constant arc gap.

Технический результат заключается в получении стабильной по размерам ванны расплавленного металла, в которую подаются керамические и/или легирующие добавки в виде смеси сухих порошков, минуя высокотемпературную зону дугового разряда. Это позволит повысить производительность за счет исключения операции нанесения пасты с последующим высыханием, исключить необходимость использования добавок для улучшения горения дуги и связующих пасту добавок, а также исключить влияние слишком большой температуры дугового разряда на керамические компоненты. The technical result consists in obtaining a dimensionally stable bath of molten metal into which ceramic and / or alloying additives are fed in the form of a mixture of dry powders, bypassing the high-temperature zone of the arc discharge. This will increase productivity by eliminating the operation of applying the paste with subsequent drying, eliminate the need to use additives to improve arc burning and paste bonding additives, and also eliminate the effect of too high an arc discharge temperature on ceramic components.

Поставленная проблема решается тем, что в способе упрочнения стальной поверхности, включающем в себя нагрев поверхности электрической дугой обратной полярности с использованием первого угольного электрода, перемещение первого угольного электрода вдоль упрочняемой поверхности и внесение керамических и/или легирующих добавок, согласно решению, дополнительно к перемещению первого угольного электрода вдоль упрочняемой поверхности его перемещают в направлении упрочняемой поверхности со скоростью, равной скорости его износа, обеспечивая постоянный дуговой зазор, при этом упрочняемую поверхность впереди движущегося первого угольного электрода подогревают при помощи второй электрической дуги прямой полярности с использованием второго угольного электрода до температуры, не менее 8000C, а керамические и/или легирующие компоненты вносят в образующуюся позади первого угольного электрода ванну расплавленного металла в виде смеси порошков.This problem is solved in that in a method of hardening a steel surface, which includes heating the surface with an electric arc of reverse polarity using the first carbon electrode, moving the first carbon electrode along the hardened surface and introducing ceramic and / or alloying additives, according to the solution, in addition to moving the first the carbon electrode along the hardened surface it is moved in the direction of the hardened surface at a speed equal to the rate of wear and tear, providing a constant arc gap, while the hardened surface in front of the moving first carbon electrode is heated with a second electric arc of direct polarity using a second carbon electrode to a temperature of at least 800 0 C, and ceramic and / or alloying components are introduced into the back carbon formed a bath of molten metal in the form of a mixture of powders.

В качестве добавок в способе используют керамический порошок, состоящий из оксида алюминия Al2O3, двуокиси кремния SiO2 и карбида бора BС4.As additives in the method, a ceramic powder consisting of alumina Al 2 O 3 , silicon dioxide SiO 2 and boron carbide BC 4 is used .

Величину дугового зазора первого угольного электрода поддерживают в интервале от 0,4 до 1,0 мм. Величину дугового зазора второго угольного электрода выбирают в интервале от 2 мм до 15 мм при токе 150 А и напряжении от 30 В до 40 В.The arc gap of the first carbon electrode is maintained in the range from 0.4 to 1.0 mm. The arc gap of the second carbon electrode is selected in the range from 2 mm to 15 mm at a current of 150 A and a voltage of from 30 V to 40 V.

Подачу добавок в ванну расплавленного металла осуществляют при помощи вибродозатора, снабженного направляющим лотком и регулятором, изменяющим скорость потока подаваемых добавок, равной скорости перемещения первого электрода. The additives are supplied to the molten metal bath using a vibrodoser equipped with a guide tray and a regulator that changes the flow rate of the supplied additives equal to the speed of movement of the first electrode.

Величину дугового зазора и скорость перемещения первого угольного электрода поддерживают постоянными с помощью системы автоматической регулировки напряжения дуги.The magnitude of the arc gap and the speed of movement of the first carbon electrode are kept constant using the automatic voltage regulation of the arc.

Расстояние между электродами выбрано из условия исключения возможности возникновения дуги между ними.The distance between the electrodes is selected so as to exclude the possibility of arcing between them.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что предлагаемый способ отличается тем, что дополнительно к перемещению электрода вдоль упрочняемой поверхности, электрод перемещают в направлении упрочняемой поверхности со скоростью, равной скорости его износа, что позволяет стабильно удерживать требуемый дуговой зазор. Также предлагаемый способ отличается тем, что упрочняемую поверхность впереди движущегося угольного электрода подогревают второй электрической дугой прямой полярности при помощи второго угольного электрода до температуры, не менее 8000C. Это позволяет электрической дуге, горящей с первого угольного электрода быстро прогревать упрочняемый металл впереди себя до температуры плавления и тем самым уменьшить вероятность короткого замыкания.Comparative analysis with the prototype allows us to conclude that the proposed method is characterized in that, in addition to moving the electrode along the hardened surface, the electrode is moved in the direction of the hardened surface at a speed equal to its wear rate, which allows you to stably hold the required arc gap. Also, the proposed method is characterized in that the hardened surface in front of the moving carbon electrode is heated with a second electric arc of direct polarity using a second carbon electrode to a temperature of at least 800 0 C. This allows the electric arc burning from the first carbon electrode to quickly heat the hardened metal in front of itself to melting points and thereby reduce the likelihood of a short circuit.

Также предлагаемый способ отличается тем, что керамические и/или легирующие компоненты вносят в расплавленную ванну позади первого угольного электрода. Это позволяет исключить необходимость использования добавок для улучшения горения дуги и связующих пасту добавок, а также исключить влияние слишком большой температуры дугового разряда на керамические компоненты. Таким образом, заявленное техническое решение соответствует критерию «новизна».Also, the proposed method is characterized in that ceramic and / or alloying components are introduced into the molten bath behind the first carbon electrode. This eliminates the need to use additives to improve the burning of the arc and adhesive additives binder paste, and also to exclude the influence of too high temperature of the arc discharge on the ceramic components. Thus, the claimed technical solution meets the criterion of "novelty."

Для проверки соответствия изобретения условию изобретательский уровень заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявляемого способа. Результаты поиска показали, что заявляемое изобретение для специалиста не вытекает явным образом из известного уровня техники, а именно заявленная совокупность существенных признаков позволяет устранить недостатки аналогов и прототипа и повысить производительность процесса упрочнения. Таким образом, заявленное техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень».To verify compliance of the invention with the condition of the inventive step, the applicant conducted an additional search for known solutions in order to identify signs that match the distinctive features of the prototype of the proposed method. The search results showed that the claimed invention for a specialist does not follow explicitly from the prior art, namely, the claimed combination of essential features can eliminate the disadvantages of analogues and prototype and increase the productivity of the hardening process. Thus, the claimed technical solution meets the criterion of "inventive step".

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена схема установки, в которой реализуется предлагаемый способ. The invention is illustrated by the drawing, which shows the installation diagram, which implements the proposed method.

Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.

Первый угольный электрод 1 и электрическая дуга 2 перемещаются вдоль упрочняемой поверхности 3 с постоянной скоростью (показано стрелкой Vу). Электрическая дуга 2 горит на постоянном дуговом зазоре h1 в пределах значений 0,4-1,0 мм, который поддерживается при помощи перемещения первого угольного электрода 1 в направлении к упрочняемой поверхности 3 со скоростью, показанной стрелкой Vэ, равной скорости износа электрода 1. Скорость Vэ и величина дугового зазора h1 задаются и поддерживаются при помощи автоматической электромеханической системы АРНД (автоматическая регулировка напряжения дуги) 4. Система АРНД состоит из механизма линейного перемещения 7 и электронного блока 8. Электронный блок 8 управляет перемещением первого электрода 1 в соответствии с функцией Uд=f(h1), где Uд – напряжение горения дуги, h1 – величина дугового зазора, путем автоматического сравнения напряжения на горящей дуге Uд с заданным опорным напряжением, которое устанавливается на блоке 8 и соответствует заданному дуговому зазору h1. Система АРНД выполняется, например, по схеме, описанной, в учебном пособии Гладков Э.А. Управление процессами и оборудованием при сварке: Учеб. пособие. - М.: Издат. Центр «Академия», 2006. - 432 с. Одновременно упрочняемую поверхность подогревают второй электрической дугой 5 прямой полярности с помощью второго угольного электрода 6, расположенного перед первым угольным электродом 1 и перемещающегося вместе с ним вдоль упрочняемой поверхности 3. Подогрев производят так, чтобы температура на поверхности упрочняемого слоя стальной поверхности в момент контакта с электрической дугой 2 была не менее 800°С. Горение дуги прямой полярности 5 происходит на большем диапазоне дуговых зазоров h2. Например, при токе 150А дуга устойчиво горит в диапазоне от 2мм до 15мм при изменении напряжения от 30В до 40В. Это позволяет при изменении тока и величины дугового зазора h2 изменять значения ширины и глубины зоны нагрева. Температура не менее 800°С обеспечивает быстрый прогрев упрочняемой поверхности дугой прямой полярности до температуры плавления обеспечивая, тем самым устойчивое горение без коротких замыканий. Электроды 1 и 6 могут подключаться как к отдельным источникам питания электрической дуги, так и одному общему источнику, дополненному блоком коммутации, подающему попеременно импульсы тока обратной полярности на электрод 1 и прямой полярности на электрод 6 с длительностью и частотой, не нарушающей устойчивость горения, как первой, так и второй дуги. На схеме изображены только выходные клеммы этих источников. В первом случае для подключения электродов 1 и 6 применяются типовые источники питания для ручной электродуговой сварки, при этом расстояние между электродами L2 должно гарантировать невозможность возникновения дуги между ними. Во втором случае требуется доработка типового источника питания с усложнением конструкции, но расстояние между электродами можно уменьшить так как, напряжение на одном из электродов появляется в момент отсутствия напряжения на другом. Это позволяет уменьшить потери тепла при нагреве упрочняемой поверхности и исключить образование дуги между двумя электродами. В процессе равномерного горения дуги обратной полярности 2 с угольного электрода 1 на стабильном дуговом зазоре h1 с постоянной скоростью перемещения Vэ образуется стабильная по длине и ширине ванна расплавленного металла. Ванна 9 расплавленного металла за счет происходящих в ней экзотермических реакций углерода поступающего с электродов имеет в данном способе повышенную протяженность L1, достаточную для размещения над ней устройства подачи порошка 10, которое перемещается вместе с электродами 1 и 6.. Так, например, при токе обратной полярности 200А, длина ванны L1 составляет 35-40мм. При этом образующиеся в ванне круговое движение жидкого металла и выделяющиеся из расплава газы способствуют перемешиванию порошка поступающего в ванну расплавленного металла по направлению указанному стрелкой Vп и образованию при остывании равномерного по структуре и химическому составу металлокерамического композита. Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает устойчивое горение дуги обратной полярности на постоянном токе и внесение в расплав керамического порошка без добавок, необходимых для улучшения горения дуги и связующих клейких материалов, а внесение порошка в расплавленную ванну позади угольного электрода позволяет исключить влияние на него высоких температур дугового разряда. То есть в предлагаемом способе производится не наплавка на упрочняемую поверхность металлокерамического слоя с одновременным насыщением его углеродом, а местное переплавление упрочняемой поверхности электрической дугой с одновременным внесением в расплав керамических и/или легирующих добавок для получения в переплавленном слое металлокерамических композитов и повышения в нем количества углерода. The first carbon electrode 1 and the electric arc 2 move along the hardened surface 3 at a constant speed (shown by arrow Vу). The electric arc 2 burns at a constant arc gap h1 in the range of 0.4-1.0 mm, which is maintained by moving the first carbon electrode 1 in the direction of the hardened surface 3 with a speed shown by arrow Ve equal to the wear rate of electrode 1. Speed Vэ and the value of the arc gap h1 are set and maintained using the automatic electromechanical ARND system (automatic arc voltage adjustment) 4. The ARND system consists of a linear movement mechanism 7 and an electronic unit 8. Electronic The 8th block 8 controls the movement of the first electrode 1 in accordance with the function Uд = f (h1), where Uд is the arc burning voltage, h1 is the arc gap by automatically comparing the voltage on the burning arc Ud with a given reference voltage, which is set on block 8 and corresponds to a given arc gap h1. The ARND system is performed, for example, according to the scheme described in the manual Gladkov E.A. Control of processes and equipment during welding: Textbook. allowance. - M.: Publ. Center "Academy", 2006. - 432 p. At the same time, the hardenable surface is heated with a second electric arc 5 of direct polarity using a second carbon electrode 6 located in front of the first carbon electrode 1 and moving along it along the hardened surface 3. Heating is performed so that the temperature on the surface of the hardened layer of the steel surface at the moment of contact with the electric Arc 2 was at least 800 ° C. The burning of an arc of direct polarity 5 occurs on a larger range of arc gaps h2. For example, at a current of 150A, the arc burns steadily in the range from 2mm to 15mm when the voltage changes from 30V to 40V. This allows you to change the width and depth of the heating zone when changing the current and the value of the arc gap h2. A temperature of at least 800 ° C ensures rapid heating of the hardened surface with an arc of direct polarity to the melting temperature, thereby ensuring stable combustion without short circuits. Electrodes 1 and 6 can be connected both to separate power sources of the electric arc, and to one common source, supplemented by a switching unit, which alternately supplies pulses of reverse polarity current to electrode 1 and direct polarity to electrode 6 with a duration and frequency that does not violate the stability of combustion, as first and second arcs. Only output terminals of these sources are shown in the diagram. In the first case, typical power sources for manual arc welding are used to connect the electrodes 1 and 6, while the distance between the electrodes L2 should ensure that an arc cannot occur between them. In the second case, the modification of a typical power source is required with a design complication, but the distance between the electrodes can be reduced since the voltage on one of the electrodes appears when there is no voltage on the other. This allows you to reduce heat loss during heating of the hardened surface and to prevent the formation of an arc between two electrodes. In the process of uniform burning of an arc of reverse polarity 2 from a carbon electrode 1 at a stable arc gap h1 with a constant speed of movement Vе, a bath of molten metal stable in length and width is formed. The bath 9 of molten metal due to the exothermic reactions of carbon coming from the electrodes in it has an increased length L1 in this method, sufficient to accommodate a powder feed device 10, which moves together with electrodes 1 and 6 .. So, for example, with a reverse current polarity 200A, bath length L1 is 35-40mm. In this case, the circular motion of the liquid metal formed in the bath and the gases emitted from the melt contribute to the mixing of the powder of the molten metal entering the bath in the direction indicated by the arrow Vp and the formation of a ceramic-metal composite uniform in structure and chemical composition when cooling. Thus, the proposed method provides stable burning of the arc of the opposite polarity at constant current and introducing ceramic powder into the melt without additives necessary to improve the burning of the arc and adhesive adhesive materials, and introducing the powder into the molten bath behind the carbon electrode eliminates the influence of high arc temperatures on it discharge. That is, in the proposed method, not surfacing on the hardened surface of the ceramic-metal layer with its simultaneous saturation with carbon is performed, but local melting of the hardened surface with an electric arc is carried out while ceramic and / or alloying additives are added to the melt to obtain ceramic-metal composites in the melted layer and increase the amount of carbon in it .

Данный способ испытывался на экспериментальной установке для автоматического упрочнения угольным электродом, на следующих режимах: угольный электрод 1, ток обратной полярности 200А, напряжение горения дуги 36В, дуговой зазор = 0,5-0,8мм, диаметр электрода 10мм; угольный электрод 2, ток прямой полярности 180А, напряжение горения дуги 32В, дуговой зазор 10-12мм, диаметр электрода 6 мм, расстояние до первого электрода 25мм. Керамический порошок, состоящий из оксида алюминия Al2O3, двуокиси кремния SiO2, карбида бора BС4, вносился в ванну расплавленного металла при помощи вибродозатора снабженного направляющим лотком и регулятором изменяющим скорость Vп потока подаваемого порошка. Срез лотка располагался на расстоянии 15 мм от электрода 1 (обратная полярность) на высоте 5 мм от поверхности расплавленного металла. Постоянство скорости перемещения электродов и дозатора порошка вдоль упрочняемой поверхности обеспечивалось механизмом линейного перемещения 7 с асинхронным электродвигателем, управляемым при помощи регулятора частоты. В результате переплава получен непрерывный и равномерный по геометрии и структуре упрочненный слой, состоящий из металлокерамического композита длиной 600 мм, глубиной 3,2 мм, имеющий в поперечном сечении форму чечевицы. Средняя твердость переплавленного слоя составила 68-72 HRC.This method was tested in an experimental setup for automatic hardening with a carbon electrode, in the following modes: carbon electrode 1, reverse polarity current 200A, arc voltage 36V, arc gap = 0.5-0.8mm, electrode diameter 10mm; carbon electrode 2, current of direct polarity 180A, arc burning voltage 32V, arc gap 10-12mm, electrode diameter 6mm, distance to the first electrode 25mm. Alumina Ceramic Powder2O3, silicon dioxide SiO2boron carbide BCfour, was introduced into the bath of molten metal using a vibrodoser equipped with a guide tray and a regulator that changes the speed Vp of the flow of the supplied powder. A section of the tray was located at a distance of 15 mm from electrode 1 (reverse polarity) at a height of 5 mm from the surface of the molten metal. The constancy of the speed of movement of the electrodes and the powder dispenser along the hardened surface was ensured by a linear movement mechanism 7 with an asynchronous electric motor controlled by a frequency controller. As a result of remelting, a hardened layer, continuous and uniform in geometry and structure, consisting of a ceramic-metal composite with a length of 600 mm, a depth of 3.2 mm, and having a lentil in cross section, was obtained. The average hardness of the remelted layer was 68-72 HRC.

Claims (7)

1. Способ упрочнения стальной поверхности, включающий нагрев поверхности электрической дугой обратной полярности с использованием первого угольного электрода, перемещение электрода вдоль упрочняемой поверхности и введение керамических добавок, отличающийся тем, что дополнительно к перемещению первого угольного электрода вдоль упрочняемой поверхности его перемещают в направлении к упрочняемой поверхности со скоростью, равной скорости его износа и обеспечивающей постоянный дуговой зазор, при этом упрочняемую поверхность перед движущимся первым угольным электродом подогревают электрической дугой прямой полярности с использованием второго угольного электрода до температуры не менее 800°C, а керамические добавки вводят в образующуюся позади первого электрода ванну расплавленного металла в виде смеси порошков.1. A method of hardening a steel surface, comprising heating the surface with an electric arc of reverse polarity using the first carbon electrode, moving the electrode along the hardened surface and introducing ceramic additives, characterized in that, in addition to moving the first carbon electrode along the hardened surface, it is moved towards the hardened surface at a speed equal to its wear rate and providing a constant arc gap, while the hardened surface in front of schimsya first carbon electrode is heated by an arc line with a second polarity of the carbon electrode to a temperature of at least 800 ° C, and the ceramic additive is introduced into the electrode formed behind the first molten metal bath in the form of a mixture of powders. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве керамических добавок используют керамический порошок, состоящий из оксида алюминия Al2O3, двуокиси кремния SiO2, карбида бора BС4.2. The method according to p. 1, characterized in that as ceramic additives use a ceramic powder consisting of alumina Al 2 O 3 , silicon dioxide SiO 2 , boron carbide BC 4 . 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что величину дугового зазора первого угольного электрода поддерживают в интервале от 0,4 до 1,0 мм.3. The method according to p. 1, characterized in that the magnitude of the arc gap of the first carbon electrode is maintained in the range from 0.4 to 1.0 mm 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что величину дугового зазора второго угольного электрода выбирают в интервале от 2 до 15 мм при токе 150 А и напряжении от 30 до 40 В.4. The method according to p. 1, characterized in that the arc gap of the second carbon electrode is selected in the range from 2 to 15 mm at a current of 150 A and a voltage of from 30 to 40 V. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подачу керамических добавок в ванну расплавленного металла осуществляют при помощи вибродозатора, снабженного направляющим лотком и регулятором, изменяющим скорость потока подаваемых добавок, равной скорости перемещения первого электрода.5. The method according to p. 1, characterized in that the supply of ceramic additives to the molten metal bath is carried out using a vibrodoser equipped with a guide tray and a regulator that changes the flow rate of the supplied additives equal to the speed of movement of the first electrode. 6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что величину дугового зазора и скорость перемещения первого угольного электрода поддерживают постоянными посредством системы автоматической регулировки напряжения дуги.6. The method according to p. 1, characterized in that the magnitude of the arc gap and the speed of movement of the first carbon electrode are kept constant by means of a system for automatically adjusting the arc voltage. 7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что электроды размещают на расстоянии, исключающем возможность возникновения дуги между ними.7. The method according to p. 1, characterized in that the electrodes are placed at a distance that excludes the possibility of an arc between them.
RU2018137736A 2018-10-26 2018-10-26 Method of steel surface hardening RU2699599C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018137736A RU2699599C1 (en) 2018-10-26 2018-10-26 Method of steel surface hardening

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018137736A RU2699599C1 (en) 2018-10-26 2018-10-26 Method of steel surface hardening

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2699599C1 true RU2699599C1 (en) 2019-09-06

Family

ID=67851552

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018137736A RU2699599C1 (en) 2018-10-26 2018-10-26 Method of steel surface hardening

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2699599C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2722959C1 (en) * 2019-12-16 2020-06-05 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Волгоградский государственный аграрный университет" (ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ) Method of hardening of working element cutting unit for soils development tool
RU2777087C1 (en) * 2022-03-15 2022-08-01 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" Method for hardening steel surface

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1171538A1 (en) * 1983-03-10 1985-08-07 Саратовский Ордена "Знак Почета" Институт Механизации Сельского Хозяйства Им.М.И.Калинина Method of manufacturing cast iron articles
RU2069233C1 (en) * 1992-02-21 1996-11-20 Загорский Валерий Куприянович Method of steel pieces surface hardening
WO1998002241A1 (en) * 1996-07-11 1998-01-22 The University Of Cincinnati Electrically assisted synthesis of particles and films with precisely controlled characteristics
US8747956B2 (en) * 2011-08-11 2014-06-10 Ati Properties, Inc. Processes, systems, and apparatus for forming products from atomized metals and alloys
RU2563572C1 (en) * 2014-06-11 2015-09-20 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Всероссийский научно-исследовательский технологический институт ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка" (ФГБНУ ГОСНИТИ) Steel articles surface hardening

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1171538A1 (en) * 1983-03-10 1985-08-07 Саратовский Ордена "Знак Почета" Институт Механизации Сельского Хозяйства Им.М.И.Калинина Method of manufacturing cast iron articles
RU2069233C1 (en) * 1992-02-21 1996-11-20 Загорский Валерий Куприянович Method of steel pieces surface hardening
WO1998002241A1 (en) * 1996-07-11 1998-01-22 The University Of Cincinnati Electrically assisted synthesis of particles and films with precisely controlled characteristics
US8747956B2 (en) * 2011-08-11 2014-06-10 Ati Properties, Inc. Processes, systems, and apparatus for forming products from atomized metals and alloys
RU2563572C1 (en) * 2014-06-11 2015-09-20 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Всероссийский научно-исследовательский технологический институт ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка" (ФГБНУ ГОСНИТИ) Steel articles surface hardening

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2722959C1 (en) * 2019-12-16 2020-06-05 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Волгоградский государственный аграрный университет" (ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ) Method of hardening of working element cutting unit for soils development tool
RU2777087C1 (en) * 2022-03-15 2022-08-01 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" Method for hardening steel surface

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Praveen et al. Meeting challenges in welding of aluminum alloys through pulse gas metal arc welding
Wu et al. Effects of single and double pulses on microstructure and mechanical properties of weld joints during high-power double-wire GMAW
RU2563572C1 (en) Steel articles surface hardening
RU2699599C1 (en) Method of steel surface hardening
Vu et al. Surface saturation with carbon using plasma arc and graphite coating
JPH10118771A (en) Vertical electro-gas welding device
US3584184A (en) High temperature surface treatment apparatus
US3659075A (en) Magnetic control of arc in strip plating
RU2686505C1 (en) Method of plasma processing of metal products
Wang et al. Cutting austempered ductile iron using an EDM sinker
CN114799587B (en) Composite welding method and device for silicon carbide reinforced aluminum matrix composite
AU2017294025B2 (en) Fluid-cooled contact tip assembly for metal welding
Kolli et al. Influence of span 20 surfactant and graphite powder added in dielectric fluid on EDM of titanium alloy
Saraev et al. Control of structure and properties of deposited wear-resistant coatings by modification of the melt of the low-frequency modulation take
RU51359U1 (en) ELECTRIC SPARKING DEVICE
RU74922U1 (en) DEVICE FOR ELECTRIC ARC Hardening
RU2777087C1 (en) Method for hardening steel surface
RU2447980C2 (en) Method of laser electroslag welding
RU2367546C2 (en) Three-phase arc weld deposition method
RU2536854C2 (en) Steel articles surface hardening
Krastev et al. Surface modification of steels by electrical discharge treatment in electrolyte
RU2735698C1 (en) Method of electroarc hardening of steel products
Saraev et al. Influence of energy impact on the structure formation and properties of deposited coatings
RU2798645C1 (en) Method of automatic build-up welding in inert gas by combination of arcs
RU2717443C1 (en) Method of hardening cutting part of working tools