УДК 621.791
, (РГУПС, Россия)
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТИ НАПЛАВЛЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКОЙ
Надежность работы машин непосредственно связана с качеством поверхностного слоя деталей, которое характеризуется физико-механическими и геометрическими параметрами. От качества поверхностного слоя зависят эксплуатационные свойства: износостойкость, коррозионная стойкость, сопротивление усталости, повышенное сопротивление абразивному износу и др. Для повышения эксплуатационных свойств деталей поверхность должна быть достаточно твердой, иметь мелкодисперсную структуру, сглаженную форму микронеровностей. В настоящее время накоплен большой опыт создания износостойких поверхностей посредством различных родов наплавок (автоматическая под флюсом, вибродуговая, в среде защитных газов и др.).
Наплавку под флюсом применяют при восстановлении деталей, износ которых составляет больше 1 мм. Толщина наплавленного металла может быть получена в пределах 0,5…5 мм и более. Наплавлять можно детали диаметром не менее 40 мм, из-за того что на деталях с меньшим сечением флюс и шлак стекают с детали, не успевая застыть.
Вибродуговая (электроимпульсная) наплавка может применяться при наплавлении деталей небольшого диаметра (от 8 мм). При вибродуговой наплавке происходит небольшой нагрев деталей (до 100°С), что не оказывает влияния на их термообработку. Существует множество способов вибродуговой наплавки: под слоем флюса с одновременным охлаждением детали под водой, в потоке воздуха, в водокислородной среде, в среде водяного пара, в среде защитных газов.
Наплавка в среде защитных газов используется при восстановлении деталей диаметром 10…40 мм. Наибольшее распространение получила наплавка в среде углекислого газа электродной проволокой. Наплавка в среде защитных газов имеет более высокую производительность процесса (на 20…30%).
Увеличивается качество и износостойкость металлопокрытий за счет легирования наплавленного металла во время наплавки, так же эффективны и просты методы упрочнения поверхностной пластической деформацией: накаткой роликами или шариками, дробеструйной обработкой, чеканкой, ротационным или гидроабразивным способом, при изготовлении новых или наплавленных деталей, механической обработкой наплавленного металла в процессе его нанесения. Упрочняющая механическая обработка деталей сопровождается пластической деформацией металла поверхностного слоя.
В РИИЖТе на кафедре «Эксплуатация и ремонт машин» разработаны технологические методы нанесения и повышения качества поверхностных слоев деталей машин, созданы установки, позволяющие совмещать технологические операции: наплавку и накатку роликами нанесенного слоя металла; наплавку, механическую обработку и накатку роликом горячего наплавленного металла; наплавку, фрезерование и шлифование горячего металлопокрытия.
Наплавка деталей с накаткой роликами металлопокрытий. Визуальный осмотр поверхности деталей показал, что наплавленные с накаткой роликами имеют более гладкую поверхность, без резких выступов и впадин по сравнению с поверхностью, наплавленной без ППД роликами. При накатке горячего металлопокрытия роликами с усилием 12,5 кН у поверхности наплавки начинают образовываться микротрещины. При накатке с усилием 15 кН наблюдается смятие (шелушение) поверхностного слоя наплавленного металла, микротрещины более крупные. Усилие накатки наплавленного металла существенно влияет на поверхностную твердость металлопокрытия. При накатке с усилием Р = 5 кН твердость повышается на 3…4 HRC, с Р = 7,5 кН –на 5…6 HRC, а с Р = 10 кН – на 10…12 HRC по сравнению с поверхностной твердостью деталей, наплавленных без ППД. У ненакатанных деталей по всей глубине наплавленного слоя микротвердость равна 5700…6500 МПа, а у наплавленных с накаткой роликами она повышается на 1400…1500 МПа. В результате накатки роликами улучшается микроструктура нанесенного слоя металла, она более однородна по длине детали и глубине нанесенного слоя. У деталей, наплавленных с ППД роликами, одновременно с формообразованием улучшается макро - и микроструктура металлопокрытия.
Итак, при восстановлении деталей наплавкой с ППД роликами увеличивается износостойкость металлопокрытий и уменьшается коэффициент трения из-за улучшения структуры, повышения твердости и уменьшения количества дефектов в наплавленном металле.
Термофрезерование наплавленного металла. Наплавленная без фрезерования поверхность детали имеет глубокие впадины и выступы. Исследование влияния скорости фрезерования на структуру и микротвердость наплавленного металла показало, что металл, наплавленный с одновременным фрезерованием с Vp= 94 м/мин, имеет структуру: мелко - и среднеигольчатый мартенсит с остаточным аустенитом, наблюдаются участки плотного троостосорбита; с Vp= 157 м/мин – мелко - и среднеигольчатый мартенсит с небольшим количеством аустенита; с Vp = 220 м/мин – мелко - и среднеигольчатый мартенсит с небольшим количеством остаточного аустенита. Таким образом, фрезерование металлопокрытия способствует улучшению физико-механических свойств металла. Повышение износостойкости деталей, наплавленных с термофрезерованием, объясняется улучшением структуры металлопокрытия, повышением поверхностной твердости и микротвердости по глубине металлопокрытий.
Наплавка под флюсом с термофрезерованием и накаткой роликом. Исследованиями, проведенными в РГУПСе, установлено, что при термофрезеровании и ППД роликом горячего наплавленного металла структура его по длине детали более однородна и имеет мелкие зерна по сравнению с просто наплавленными. При этом наилучшая структура металла получается при термофрезеровании со скоростью резания 220…250 м/мин и ППД роликом с усилием 8…10 кН.
Анализ результатов исследований показал, что в результате термофрезерования и поверхностной пластической деформации роликом горячего металлопокрытия повышаются величины благоприятных сжимающих тангенциальных и осевых напряжений. Увеличение их по сравнению с таковыми у деталей, наплавленных без термофрезерования и ППД роликом, вызвано (помимо тепловых явлений и структурных превращений) пластическими деформациями наплавленного металла в процессе его фрезерования и накатки роликом. Так, когда из-за значительного роста плотности дислокаций происходит увеличение удельного объема деформированного наплавленного слоя, то в результате в наружных слоях возникают благоприятные напряжения сжатия.
Вибродуговая наплавка в охлаждающей жидкости с термомеханической обработкой роликами. С целью повышения качества наплавленного металла вибродуговым способом, а также улучшения его структуры разработана технология вибродуговой наплавки с термомеханической обработкой (ТМО) нанесенного слоя металла. Наплавленный металл подвергается ТМО статическим или динамическим нагружением. Этот способ восстановления деталей заключается в комбинированном воздействии на наплавленный металл горячей пластической деформации и термического упрочнения (быстрого охлаждения жидкостью). Как показали исследования, при вибродуговой наплавке с применением ТМО скорость охлаждения наплавленного металла влияет не только на вид деформации (горячая, полугорячая, холодная), но и на характер структурных превращений в металле. В результате установлены оптимальные параметры ТМО: усилие деформирования 2000 кН; интервал температур начала и конца обработки давлением 850…750оС; расстояние от сварочной ванны до зоны деформации 8…12 мм; подача охлаждающей жидкости с противоположной сварочной дуге стороны и со смещением в сторону наплавленного слоя на величину а = 0,5Д, где Д – диаметр наплавляемой детали, мм. Технологический процесс восстановления и упрочнения деталей машин вибродуговой наплавкой с ТМО необходимо разрабатывать отдельно для каждой детали.
Наплавка деталей в среде защитных газов с формообразующей и упрочняющей термомеханической обработкой. В РГУПСе был разработан технологический процесс ремонта деталей машин, заключающийся в сочетании наплавки в среде защитных газов и пластического формообразования. В ходе такого процесса одновременно решаются две задачи: образуется поверхность заданного профиля, характеризуемая определенным классом чистоты; упрочняется наплавленный металл и повышается его износостойкость.
В результате пластического формообразования непосредственно в процессе наплавки получается гладкая поверхность, характеризуемая 3…5 классом чистоты. Одновременно с формообразованием происходит термомеханическое упрочнение поверхности, в итоге улучшается макро - и микроструктура наплавленного металла. Основным дефектом при наплавке в среде углекислого газа и азота являются поры и трещины, появляющиеся при выделении из металла газов. В результате ТМО они завариваются, если стенки их чисты и не успели покрыться тонким слоем окислов.
