Инженерный анализ особенностей восстановления работоспособности деталей наплавкой

При выборе вида наплавки руководствуются заданными эксплуа­тационными свойствами деталей и технико-технологическими воз­можностями того или иного вида наплавки.

Автоматическая электродуговая наплавка под слоем флюса позво­ляет наплавлять слой металла толщиной более 3 мм на тела вращения типа валов, которые устанавливаются в патроне специального или токарного станка и центрах. Токарный станок дополнительно оснаща­ется токосъемниками, оборудуется понижающей передачей для обес­печения требуемой частоты вращения детали (n_в= 0,25—4,0 мин^-1). Продольная подача наплавочной головки, устанавливаемой на суппор­те станка, принимается равной 3—6,5 мм/об, но с условием перекры­тия предыдущего валика последующим на 0,3—0,5 его ширины.

Вылет электродной проволоки в зависимости от диаметра детали и величины тока принимается в пределах 10—25 мм, а его смещение с зенита — в пределах 2—7 мм.

Эксплуатационные и физико-механические свойства наплавлен­ного металла зависят от состава флюса, материала электродной про­волоки и указанных выше параметров режима наплавки, величины проплавления детали, которая определяется по зависимости:

где k = (0,2-0,3) — коэффициент; J — сила тока, A; V_H — скорость наплавки, мм/мин; U— напряжение, В.

К преимуществам автоматической наплавки под слоем флюса от­носятся: возможность получения поверхностного слоя детали с необ­ходимыми механическими свойствами (твердость до HRC 56—62, вы­сокая износостойкость, плотность и однородность покрытия) и химическим составом; возможность защиты зоны дуги и расплавлен­ного металла от воздействия кислорода и азота воздуха; высокая ус­тойчивость процесса образования покрытия вследствие его механи­зации и управляемости.

Недостатками автоматической наплавки под слоем флюса являют­ся: возможность перегрева основного металла детали и изменение вследствие этого структуры и механических свойств; ограничение по диаметру (более 45 мм) номенклатуры восстанавливаемых деталей вследствие их температурных деформаций и стекания медленно за­твердевающих шлака и металла шва; необходимость дорогостоящих флюсов, электродной проволоки, специальной оснастки.

Наплавка в среде инертных газов (аргона, гелия) из-за высокой стоимости последних применяется редко.

Наплавка в среде углекислого газа применяется, в основном при ремонте деталей, изготовленных из мало- и среднеуглеродистых ста­лей и чугунного литья. С целью получения наплавленной поверхнос­ти заданной твердости в ряде случаев используется направленное ох­лаждение этой поверхности струей жидкости.

При этом принимают: шаг наплавки в пределах 2,5 - 6,0 мм; вылет электрода равным 7 - 20 мм; смещение электрода в пределах 3-10 мм Углекислый газ, диссоциируя при наплавке на атомарный кислород и окись углерода, оказывает окислительное действие на материал де­тали, что устраняется применением электродной проволоки содер­жащей раскислители (титан, кремний, марганец) и соответствующие легирующие элементы. Наплавку ведут с взаимным перекрытием ва­ликов на постоянном токе обратной полярности.

К преимуществу наплавки в среде углекислого газа относятся: отсутствие вредных выделений и шлаковой корки на покрытии- от­крытая для обзора зона наплавки, что дает возможность оперативно корректировать процесс; возможность наплавки деталей малых диа­метров; более высокая, по сравнению с автоматической наплавкой под слоем флюса, производительность процесса (коэффициент на­плавки равен 15-16 г/А • ч).

Недостатками этого вида наплавки являются большое разбрызги­вание (потери) металла электродной проволоки и сравнительно низ­кие механические свойства наплавленного слоя.

Наплавка в среде водяного пара используется для наплавки сталь­ных деталей. В процессе наплавки водяной пар диссоциирует обра­зуя атомарный водород, который и служит в данном случае защит­ным газом. При наплавке детали диаметром 40-50 мм электродной проволокой диаметром 1,6 мм примерные значения параметров режима следующие: величина постоянного тока обратной полярности 150-200 А; напряжение 35-36 В; скорость наплавки 18-36 м/ч- дав­ление пара (6-7) • 10^-2 МПа.

К преимуществам данного вида наплавки относятся такие как: дешевая, недефицитная защитная среда; устойчивость наплавленно­го металла к трещинам; отсутствие вредных газов.

Вместе с тем активное выгорание кремния, марганца, углерода образование пор в наплавленном слое ограничивают область приме­нения этого метода и ведут к его удорожанию за счет необходимости использования специальной электродной проволоки (с повышенным содержанием марганца, кремния).

Наплавка вибродуговая, представляющая собой разновидность рассмотренных ранее видов электродуговой наплавки, осуществляет­ся за счет придания электродной проволоке осевых колебаний с часто­той 50—100 с"1 и амплитудой 1—3 мм. Наплавка ведется, как правило, на постоянном токе обратной полярности, с охлаждением наплавленно­го металла 4—6%-ным раствором кальцинированной соды в воде, яв­ляющейся одновременно и защитной средой. Наличие охлаждающей жидкости и прерывистый характер нанесения металла способствуют закалке наплавляемого валика и частичному его отпуску, что приво­дит к образованию неоднородной структуры от мартенсита закалки до тростосорбита отпуска с твердостью 26-55 HRC.

Надежное сплавление наплавленного слоя с основным металлом детали обеспечивается обычно при толщине слоя в 2,5 мм. Парамет­ры режима наплавки взаимосвязаны между собой зависимостью:

где n — частота вращения детали, мин^-1; d — диаметр электродной проволоки, мм; V — скорость подачи проволоки, м/мин; S — шаг на­плавки, мм/об; Д — диаметр детали, мм; h — толщина наплавляемо­го слоя, мм; — коэффициент наплавки ( = 0,85—0,9).

К преимуществам вибродуговой наплавки относятся: слабый на­грев восстанавливаемой детали и возможность восстановления по­верхности диаметром от 15 мм без существенных структурных изме­нений основного металла; возможность получения поверхностного слоя детали с заданным химическим составом, закалочными структу­рами, твердостью и толщиной (от 0,5 до 3,0 мм).

Однако этот метод имеет существенные недостатки, например: образование поверхности с неравномерной («пятнистой») твердо­стью, что значительно снижает усталостную прочность деталей, осо­бенно при знакопеременных нагрузках; наличие пор и трещин в на­плавленном слое.

С целью частичного устранения указанных недостатков вибродуго­вую наплавку проводят также под слоем флюса или в среде защитных газов; используют ультразвуковые колебания; проводят термомехани­ческую обработку наплавочного слоя; осуществляют пластическое де­формирование наплавленного металла с помощью ролика или бойка.

Для механизированных видов сварки, наплавки основное время определяется раздельно по плоским (t_0МП) и цилиндрическим (t_омц) поверхностям соответственно:

где L_шп ,L_ц — соответственно общая длина швов данного размера, на­плавляемых на плоскую поверхность, и длина цилиндрической поверхности, м; V_св, V_н— соответственно скорость сварки и наплав­ки, м/мин; S — продольная подача наплавочной головки или шаг на­плавки, мм/об.; d — диаметр наплавляемой поверхности, мм; i — число проходов.

Вспомогательное время при этом принимают равным 0,5 мин на один проход, дополнительное — 15% от оперативного, а подготови­тельно-заключительное — 15 мин.

При плазменной наплавке возможно получение прочно сплавлен­ного с главным металлом детали слоя наплавленного материала ши­риной от 8 до 45 мм и толщиной от 0,5 до 6 мм. Установка плазмен­ной наплавки содержит целый комплекс оборудования: дозаторы наносимого материала; источники питания; системы газоснабжения и охлаждения плазмотрона. В общем случае плазменная наплавка ха­рактеризуется следующими значениями параметров процесса: диа­метр проволоки — от 2,0 до 3,0 мм; сила тока — от 150 до 500 А; на­пряжение дуги — от 18 до 28 В; скорость наплавки — от 10 до 55 м/ч; шаг наплавки от 3 до 6 мм; производительность — от 5 до 30 кг/ч.

Плазменная наплавка в общем случае может удовлетворить самые разнообразные технологические и эксплуатационные требования по восстановлению работоспособности деталей. Основным ограничени­ем широкого применения в ремонтном производстве этого вида на­плавки является ее энергоемкость, относительные сложность и боль­шая стоимость оборудования для ее осуществления.

Лазерная и электронно-лучевая наплавка выполняются на уста­новках высокоинтенсивного нагрева не в качестве основной, техно­логической наплавочной операции, а в качестве последующей отде­лочной операции, в результате которой происходит оплавление поверхности наплавленного материала и улучшение его эксплуатаци­онных и физико-механических свойств. В ремонтном производстве используется редко, например, при восстановлении кулачков распре­делительных валов, хвостовиков клапанов; для борирования поверх­ностей.

Кроме рассмотренных методов, в ремонтном производстве иногда целесообразно использовать и такие, как: литейная наплавка; намора­живание металла; электроискровое наращивание; электроимпульсное наращивание; электроконтактная приварка ленты; электроконтакт­ная приварка проволоки; электроконтактное напекание порошков.