сотрудник
Брянск, Брянская область, Россия
Брянск, Брянская область, Россия
Брянский государственный технический университет (магистрант)
Россия
ГРНТИ 55.01 Общие вопросы машиностроения
ГРНТИ 55.13 Технология машиностроения
Рассмотрены наиболее известные технологии наплавки износостойкого слоя на поверхность восстанавливаемого изделия. Представлены результаты исследований, выявлены перспективные методы получения наплавленных, восстановленных слоев, имеющих сравнительно большую твердость. Показаны преимущества и недостатки различных процессов. Определены оптимальные условия реализации процесса восстановления изношенных деталей методами ручной дуговой наплавки.
ручная дуговая наплавка, наплавочные материалы, восстановление деталей, износостойкость, чугунная стружка, твердость наплавленного слоя
В процессе эксплуатации по мере увеличения длительности работы машин под влиянием ударных нагрузок, абразивного изнашивания и негативного воздействия окружающей среды зачастую происходит изменение формы рабочей поверхности и размеров деталей, нарушается взаимное расположение составных частей изделия. Получая дальнейшее развитие, эти процессы способствуют перераспределению напряжений в сечении деталей машин, что в критических случаях может привести к их разрушению. При эксплуатации снижаются механические и эксплуатационные свойства материалов и деталей, возрастают усталостные напряжения и за счет износа защитных поверхностных слоев интенсифицируются коррозионные процессы. В результате детали машин и их соединения теряют работоспособность, вследствие чего требуется их капитальный ремонт, часто с заменой отдельных узлов или агрегатов.
В условиях ограниченности финансовых и материальных ресурсов различных предприятий поиск и покупка новых комплектующих зачастую вызывает определенные затруднения. Поэтому рациональным и экономически выгодным решением этой проблемы является восстановление изношенных частей и отдельных элементов деталей машин [1].
Технологии восстановления многообразны, к наиболее распространенным способам относятся: наплавка, металлизация, газопламенное и плазменное нанесение порошковых материалов, электрохимические способы и т.д. Из указанных способов наибольшее распространение, обусловленное простотой реализации и доступностью оборудования, получила дуговая наплавка. Сейчас на различных российских предприятиях реализуется широкий спектр способов дуговой наплавки: под слоем флюса, электрошлаковая, порошковой проволокой, в среде углекислого газа, вибродуговая и т.д. [2]. В качестве базового метода был выбран процесс восстановления износостойкого слоя ручной дуговой наплавкой. Этот процесс получил наибольшее распространение в нашей стране и за рубежом. Метод отличается универсальностью, удобством и простой реализации, а главное – не требуется приобретать какое-либо специальное оборудование. Наплавка осуществляется при использовании тех же операций и оборудования, что и сварка. Сущность способа заключается в том, что дуга горит между электродом и изделием. Формирование шва происходит за счет материала электрода или присадочного материала и расплавления основного металла в зоне действия дуги (рис. 1). Наплавочный слой, в зависимости от толщины, может быть получен за один проход или многослойной наплавкой. В последнем случае промежуточные слои наплавляют электродами с химическим составом, близким к основному металлу детали, а рабочий, поверхностный слой делают из износостойкого сплава. В определенных случаях промежуточные слои могут быть получены из сплавов с заданными функциональными свойствами. Так как при наплавке важно обеспечить максимальную производительность по массе наплавляемого металла, то основной объем работ выполняется электродами диаметром 3 - 6 мм и более [3].
В настоящее время на российском рынке предлагается большое количество наплавочных износостойких материалов, начиная от наплавочных порошковых смесей или проволок, порошковых и покрытых электродов и заканчивая специальными наплавочными лентами. Как правило, выбор материала при наплавке определяется условиями работы и материалом изделия. Обобщенной характеристикой наплавляемых износостойких сплавов является твердость. В табл. 1 и 2 представлен химический состав наиболее распространённых наплавочных смесей и электродов соответственно, используемых при наплавке износостойкого слоя.
Таблица 1
Наплавочные смеси
|
Смесь |
Химический состав |
Твердость HRC |
|
Сталинит |
24 – 26 % Cr, 6 - 8,5 % Mn, 7 – 10 % C, < 3% Si, < 0,5% P, < 0,5% S, остальное - Fe |
52 |
|
Вокар |
Смесь из измельченного вольфрама и углерода |
60 |
|
Висхом |
6 % C, 15 % Mn, 5 % Cr, остальное - железная или чугунная стружка |
30 |
|
Боридная порошковая смесь |
50 % боридов хрома и 50 % железного порошка |
62 |
|
Стеллит |
Карбиды хрома, растворенные в кобальте |
47 |
Таблица 2
Электроды для наплавки
|
Смесь |
Химический состав, % |
Твердость HRC |
|
У-340 |
С=0,15-0,2; Mn=2,8-3,2; Si=0,5-0,75; S<0,03; P<0,035 |
37 |
|
Т-590 |
С=3,2; Mn=1,2; Si=2,2; Cr= 25; B=1 |
60 |
|
ОЗН-300 |
С =0,1; Mn=3; Si=1,3; S<0,02; P<0,03 |
40 |
Несмотря на то что все они удовлетворяют требованиям по твердости, от которой напрямую зависит износостойкость, данные наплавочные материалы имеют ряд недостатков. Во-первых, это содержание дорогостоящих элементов (W, Ni, V), которые существенно повышают себестоимость наплавки. Во-вторых, большое количество карбидообразующих элементов (Mn, Cr, V, W) оказывает негативное влияние на качество наплавленного слоя (образование трещин) [4]. В-третьих, как показала наша совместная работа, после наплавки многие изделия подвергаются механической обработке с целью обеспечения требуемой геометрии, в этом случае высокая твердость наплавленного слоя является серьезным препятствием для ее осуществления.
Помимо применения распространенных материалов для наплавки существуют комбинированные технологии, в которых в качестве наплавочного материала используется чугунная стружка [5]. Примером является смесь «Висхом», представленная в табл. 1. Использование чугунной стружки позволяет снизить тепловое воздействие на основной металл при наплавке, а также уменьшить себестоимость восстановительных операций. При этом твердость наплавленного слоя позволяет беспрепятственно производить различные виды механической обработки.
При выполнении экспериментов в качестве наплавочного материала использовали стружку серого чугуна, полученную при механической обработке литых заготовок. Данный способ имеет несколько схем реализации. Первая схема (рис. 2а) - оплавление уложенного на поверхность слоя стружки угольным электродом диаметром 10 мм. Вторая схема (рис. 2б) – наплавка специально изготовленным трубчатым порошковым электродом. В качестве оболочки электродов использовали малоуглеродистую сталь толщиной 0,3 мм. Диаметр порошкового электрода составил 8 мм. Третья схема (рис. 2в) - наплавка гибким порошковым электродом. Для получения гибкого электрода изготавливали оболочку из завитой в спираль сварочной проволоки диаметром 1 мм марки Св-08Г2С. Наружный диаметр полученного электрода равнялся 8 мм. Четвертая схема (рис. 2г) - оплавление уложенного на поверхность слоя стружки покрытым электродом. Использование чугунной стружки в качестве присадки при ручной электродуговой наплавке обеспечило получение слоев с твердостью от 32 до 49 HRC. Твердость наплавленного слоя зависит от химического состава чугунной стружки, режима наплавки и скорости охлаждения наплавленного слоя. Режимы наплавки представлены в табл. 3.
Таблица 3
Режимы наплавки
|
№ схемы |
Диаметр электрода, мм |
Род тока, полярность |
Напряжение, В |
Сила тока, А |
|
1 |
10 |
Постоянный прямой полярности |
32-34 |
130-140 |
|
2 |
4 |
Постоянный обратной полярности |
32-34 |
140-160 |
|
3 |
8 |
30-32 |
120-140 |
|
|
4 |
8 |
30-32 |
120-140 |
При наплавке с использованием чугунной стружки полученный слой может иметь как графитовые включения, которые в парах трения играют роль источников твердой смазки, так и хрупкие включения мартенсита и ледебурита, что также положительно сказывается на износостойкости изделия. Как известно, материалы с равномерно распределенными в пластичной матрице локальными твердыми включениями, удовлетворяющие принципу Шарпи, обладают высокой износостойкостью [6]. Окончательные свойства и требуемая морфология структуры наплавленного сплава обеспечиваются термической обработкой.
После проведения анализа имеющихся технологий получения износостойкого слоя ручной наплавкой можно сделать вывод, что, несмотря на множество способов повышения триботехнических характеристик изделий, остаются открытыми вопросы по совершенствованию имеющихся технологий и разработке новых материалов и покрытий, которые направлены на улучшение эксплуатационных показателей и снижение себестоимости восстановительных операций.
1. Чаботарев, М.И. Выбор оптимального способа восстановления изношенной поверхности детали: учеб. пособие / М. И. Чеботарѐв, М. Р. Кадыров. - Краснодар: КубГАУ, 2016. - 91 с.
2. Пантелеенко, Ф.И. Восстановление деталей машин: справочник / Ф.И. Пантелеенко, В.П. Лалакин, В.П. Иванов, В.М. Константинов. - М.: Машиностроение, 2003. - 672 с.
3. Ельцов, В.В. Восстановление и упрочнение деталей машин: электрон. учеб. пособие / В.В. Ельцов. - Тольятти: Изд-во ТГУ, 2015. - 335 c.
4. Савинов, Д.Н. Повышение износостойкости рабочих органов сельскохозяйственных машин наплавкой белого чугуна / Д.Н. Савинов // Новые горизонты: материалы V междунар. конф.-конкурса (20 апр. 2018 г.) / под ред. О.М. Голембиовской. - Брянск: БГТУ, 2018. - 235 с.
5. Токарев, А.О. Наплавка поверхности серого чугуна с присадкой из чугунной стружки / А.О. Токарев // Обработка металлов. - 2013. - №2 (59). - С. 44-48.
6. Жуков, А.А. Износостойкие отливки из комплексно-легированных белых чугунов / А.А. Жуков, Г.И. Сильман, М.С. Фрольцов. - М.: Машиностроение, 1984. - 104 с.
