Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса и задачи исследования 8
1.1 Анализ присадочных материалов для электроконтактной приварки 8
1.2 Анализ существующих способов электроконтактной приварки различных присадочных материалов 16
1.3 Выводы. Цель и задачи исследования 24
Глава 2 Теоретические исследования термического цикла электроконтактной приваки 26
2.1 Проблема структурной неоднородности при электроконтактной приварке присадочных материалов 26
2.2 Расчетное определение распределения температуры по глубине восстанавливаемой детали при электроконтактной приварке 40
2.3 Влияние режимов электроконтактного упрочнения на распределение температуры по глубине обрабатываемой детали 51
2.4 Режимы электроконтактного упрочнения восстановленной детали 54
Глава 3 Методика экспериментальных исследований 60
3.1 Установка для электроконтактной приварки 60
3.2 Методика измерения температуры поверхностного слоя детали при электроконтактной приварке присадочных материалов 61
3.3 Методика измерения твердости 64
3.4 Методика исследования влияния профиля рабочей поверхности роликового электрода на формирование покрытия 66
3.5 Методика определения остаточных напряжений в поверхностном слое восстановленных деталей 67
3.6 Методика исследования предела выносливости восстановленных деталей з
3.7 Методика исследования макро- и микроструктуры 76
3.8 Методика проведения эксплуатационных испытаний 77
3.9 Статистическая обработка результатов исследований 79
Глава 4 Результаты экспериментальных исследований 81
4.1 Результаты определения температуры поверхностного слоя детали при электроконтактной приварке присадочных материалов 81
4.2 Влияние режимов электроконтактной приварки и геометрии рабочей поверхности электрода на величину припуска на механическую обработку и формирование покрытия 84
4.3 Твердость покрытий, полученных электроконтактной приваркой 94
4.4 Оценка зоны термического влияния при электроконтактной приварке присадочных материалов и последующем электроконтактном упрочнении 98
4.5 Исследование остаточных напряжений 103
4.6 Исследование предела выносливости деталей, восстановленных электроконтактной приваркой и упрочненных электроконтактным способом 107
4.7 Результаты эксплуатационных испытаний 114
Глава 5 Технология электроконтактной приварки с последующим электроконтактным упрочнением и оценка экономической эффективности 116
5.1 Разработка технологического процесса восстановления изношенных деталей электроконтактной приваркой присадочных материалов с последующим электроконтактным упрочнением 116
5.2 Расчет экономических показателей от внедрения в производство разработанного технологического процесса восстановления 122
Общие выводы 136
Библиографический список
- Анализ существующих способов электроконтактной приварки различных присадочных материалов
- Расчетное определение распределения температуры по глубине восстанавливаемой детали при электроконтактной приварке
- Методика исследования влияния профиля рабочей поверхности роликового электрода на формирование покрытия
- Оценка зоны термического влияния при электроконтактной приварке присадочных материалов и последующем электроконтактном упрочнении
Анализ существующих способов электроконтактной приварки различных присадочных материалов
Основа технологического процесса контактной приварки заключается в пропускании импульсов сварочного тока через цепочку рабочий электрод – присадочный материал – изделие, в результате этого присадочный материал из-за повышенного сопротивления сильно нагревается и под давлением электрода приваривается к основе.
Электроконтактные методы, по сравнению с другими способами восстановления обладают целым рядом достоинств и преимуществ. К достоинствам можно отнести следующее: возможность формирование ровных и тонких слоев покрытия; несущественный нагрев основного металла вала и минимальные припуски на последующую мех обработку (шлифование) наплавленных поверхностей; отсутствие светового излучения и низкое выделение газа, т.е. наиболее благоприятные условия для работы сварщика; практически полное отсутствие выгорания легирующих элементов; простота технологического процесса; универсальность способа и возможность применения различных присадочных материалов в формах (проволоки, стальные ленты и металлические порошки); высокие показатели качества восстановленных изделий, объясняемого термомеханическим воздействием на присадочный металл и изделие со стороны инструмента – дискового электрода; существенное уменьшение расхода металла (по сравнению с электродуговой наплавкой) почти в 2…4 раза; высокая производительность процесса.
Методы контактной приварки различных присадочных материалов отличаются друг от друга способами подачи присадочного материала, расположением роликовых электродов и конструкциями, способами формирования металлопокрытия на поверхности изделия и методами предварительной подготовки самого присадочного материала. Для упрочнения или восстановления различных деталей машин электроконтактной приваркой могут использоваться различные формы и размеры рабочих дисковых электродов: наиболее распространенные -роликовые (дисковые) электроды; роликовые электроды со сферической поверхностью одного торца контактной зоны [52]; призматические с конической поверхностью контактной зоны [53]; плоские электроды[54]; конические электроды[55]; составные дисковые электроды [56]; электроды по форме поверхности восстанавливаемой детали.
По настоящее время многими учеными и исследователями принципиально было изучено и запатентовано большое количество способов контактной приварки. Например, в работах [42, 57] дана одна из полных информаций по электроконтактным методам приварки металлических порошков и их анализу.
Методы контактной приварки можно также разделить по виду применяемого присадочного материала: приварка порошка, проволоки и ленты.
Исследованиями процесса контактной приварки проволоки занимались Б.М. Аскинази, В.А. Дубровский, В.В. Булычев, В.А. Емельянов, А.К. Исламгулов, В.С. Ибрагимов, В.Т. Катренко, Э.С. Каракозов, Б.А. Молчанов, Р.А. Латыпов, М.З. Нафиков, А.И. Пономарев, А.В. Поляченко, В.А. Пресняков, Л.Б. Рогинский, Н.Н. Прохоров и др.
Различные схемы электроконтактной приварки проволоки показаны на рисунке 1.1.
К изношенному валу 1 прижимается присадочная проволока 2 роликовым электродом 3. Пропуская через контакты деталь - проволока -электрод импульсов большой силы тока, чередующихся с паузами, и при одновременном давлении электрода присадочная проволока сильно нагревается, осаживается и приваривается к поверхности восстанавливаемого вала. Сплошное покрытие 5 на изношенной поверхности образуется за счет подачи сварочной тележки и одновременного вращения вала, которое обеспечивает приваривание проволоки по винтовой линии. Питание током установки производится от трансформатора сварки 7, которым управляет электронный прерыватель тока 6. а – основная схема; б – двухроликовая схема; в – в предварительно полученную канавку; г – нейтральным роликом; 1 – изношенный вал; 2 – присадочная проволока; 3 – дисковый электрод; 4 – патрон; 5 – полученное покрытие; 6 – прерыватель тока; 7 –трансформатор сварочный
Основная технологическая схема - однороликовая приварка наиболее надежная и простая и поэтому считается наиболее приемлимой для восстановления большого разнообразия изделий [32]. Однако при приварке по основной схеме соответственно перемещению ролика вдоль детали изменяются размеры контура электрической цепи, поэтому значения силы тока в начале и в конце поверхности восстановления получаются различными. Такого недостатка лишены схемы приварки с двумя роликовыми электродами, (рисунок 1.1, б). При этом первым роликом можно сформировать спиралевидный валик покрытия с зазором (без перекрытия) смежных витков, вторым роликом уже заплавлять образовавшиеся зазоры. Эта схема на 70...80% производительнее предыдущей, но несколько сложнее.
Аскинази Б.М. предложил метод электроконтактной приварки в высаженную канавку [58]. Трудоемкость технологии восстановления возрастает из-за предварительной механической высадки спиралевидной канавки на цилиндрической поверхности (рисунок 1.1, в) и последующей электроконтактной приварки самой присадочной проволоки в сформированную канавку. На рисунке 1.1, г показана, предложенная Ю.В. Клименко, схема приварки нейтральным роликом. В котором подвод тока в зону формирования покрытия осуществляется через присадочную проволоку и восстанавливаемую деталь. Однако через присадочный материал можно подводить весьма маленькую мощность, недостаточную для образования качественного сварного соединения.
Расчетное определение распределения температуры по глубине восстанавливаемой детали при электроконтактной приварке
Внутриструктурные превращения при электроконтактной сварке подчинены термомеханическим закономерностям электроконтактного процесса, однако этот процесс имеет и характерную специфику, которую нужно учитывать при изучении самого формирования покрытия рассматриваемым методом.
При нагреве электрическим сопротивлением тепловая энергия выделяется как в местах контакта приваренного материала с поверхностями вала и дискового электрода, так и в самом приваренном материале. При нагреве самим внутренним источником тепла происходит более ускоренное превращение в углеродистых сталях перлита в аустенит.
Процесс нагрева и охлаждения происходят с большими скоростями. При электроконтактной сварке продолжительность пребывания металла при температуре выше Ас3 очень мала, поэтому металл имеют резко выраженную неоднородность структуры вследствие ограниченного протекания диффузионных процессов.
Образование сварного соединения сопровождается термомеханическим воздействием на привариваемый материал со стороны вала и дискового электрода, что приводит к пластическим деформациям привариваемого материала и следовательно дроблению структуры.
Во время электроконтактной приварке деталей по винтовой линии с перекрытием смежных валиков в покрытии чередуются структуры полного и частичного отпуска и закалки. Процесс электроконтактной приварка осуществляется чередующимися мощными импульсами сварочного электрического тока. Эти особенности отражаются непосредственно на структуре приваренного и основного металла в зоне термического влияния. Короткие сварочные импульсы образуют перекрывающиеся точки, которые вследствие вращения детали и одновременного продольного подачи (перемещения) дисковых электродов располагаются на поверхности вала по спирали. Нагретый мощными импульсами сварочного тока небольшой участок металла (металл ленты и поверхностный слой детали) быстро охлаждается из-за теплоотвода в саму деталь и дисковый электрод, которые охлаждаются водой и закаливаются на высокую твердость. Далее, следующий импульс сварки нагревает следующий участок металлопокрытия, что приводит к частичному полному отпуску первого участка с уже закаленной структурой. При спиральной подаче дискового ролика с величиной равной шагу подачи, некоторая часть ранее закаленного участка вала повторно нагревается сварочным током и также далее отпускается. Вследствие этого в металле сварного шва и в слое основного металла вала образуются чередующиеся участки отпуска и закалки. Физические, механические и эксплуатационные свойства восстанавливаемых электроконтактной приваркой деталей, зависят от размеров, и взаимного расположения относительно друг друга и структуры металла на этих участках (рисунок 2.1, 2.3, 2.4).
Однако именно закалка слоя является одним из преимуществ способа восстановления деталей электроконтактной приваркой ленты [89, 93]. Закалка осуществляется в сталях, ферритного, мартенсито-ферритного и мартенситного класса [92, 95, 103]. Стали аустенитного класса, при контактной сварке, вследствие получения аустенитной структуры получают наименьшую твердость. Поэтому используемый термин «закалка» к сталям аустенитного класса неприменим. Рисунок 2.1 - Местоположения сварочных точек при контактной сварке
При температурах отпуска, например, у нержавеющих сталей по границам зерен резко уменьшается концентрация хрома в - твердом растворе вблизи карбидов, что может привести к межкристаллитной коррозии [101, 102, 104, 105]. Увеличение роста карбидов происходит вследствие диффузии хрома и углерода из твердого раствора к границам зерен. Так как при отпуске скорость диффузии молекул углерода намного выше скорости диффузии молекул хрома, весь углерод твердого раствора участвует в образовании карбидов, в то время как в реакции образования карбида участвует только хром (рисунок 2.2, а). Это приводит к образованию области при температуре отпуска обедненную хромом. Содержание хрома в этой зоне составляет менее 12%, поэтому ее стойкость к коррозии ниже, чем тело зерна, что и определяет повышенную склонность этого участка стали к межкристаллитной коррозии (рисунок 2.2, б).
Ученые в работе [106] отмечают, что у сталей мартенситной группы карбиды хрома выделяются в результате отпуска уже при температуре 300С и выше. Наиболее опасной температурой для них они считают температуру около 500С. А у хромистых сталей ферритной группы склонность к межкристаллитной коррозии возникает непосредственно после охлаждения от температур выше 9200С.
Получение ножевой коррозии при приварке нержавеющих сталей объясняется по следующим причинам [106, 109]. В узкой околошовной зоне металла шва нагретого до температур около 1300C, (т.е. до температуры расплавления металла) происходит полное растворение карбидов хрома или титана. При следующем охлаждении этой зоны за счет близкого расположения с нагретым металлом ниобий (карбиды титана) не успевают вновь выделиться и углерод остается в твердом состоянии. Если эта зона будет долго находиться при температурах около 600...750С (провоцирующий нагрев), то при этом может происходить выделение карбидов хрома, а не титана (или ниобия). Связывают это с тем, что при указанных температурах растворимость карбидов хрома приблизительно такая же, как и карбидов титана, а сама же концентрация хрома по сравнению с титаном значительно больше. Вследствие этого происходит понижение концентрации молекул хрома в твердом растворе в околошовной зоне. Это приводит, в условиях повышенной коррозии, к избирательному растворению межкристаллитного характера.
Автор работы [128] считает, что неравномерная структура при электроконтактной приварке способствует увеличению износостойкости за счет избирательного износа, рисунок 2.3.
Методика исследования влияния профиля рабочей поверхности роликового электрода на формирование покрытия
При использовании приспособления описанного в разделе 2.1 (рисунок 2.9) к режимам электроконтактного упрочнения будут относиться: усилие сжатия медной проволоки к поверхности детали (F), линейная скорость перемещения инструмента вдоль обрабатываемой поверхности (V), температура (Т). Чтобы влияние стыков рабочей медной проволоки не влияло на качество электроконтактного упрочнения необходимо не располагать стыки двух проволок напротив друг друга. Температура при электроконтактном упрочнении выбирается исходя из необходимой глубины зоны термического влияния и времени воздействия (расчет раздела 2.3). При электроконтактном упрочнении нагрев детали проводится до более высоких температур, чем при обычной закалке. Это обусловлено следующими причинами. При очень большой скорости нагрева (до 1 с) температуры критических точек повышаются, в которых происходит переход перлита в аустенит, а во-вторых, необходимо, чтобы это превращение завершилось за очень короткое время, а чем выше температура, тем быстрее оно происходит. Так, например, при нагреве в печи со скоростью 2…3С/с температура нагрева под закалку стали 45 составляет примерно 840…860С, при нагреве токами высокой частоты со скоростью 250С/с - 880…920С, а при скорости 500С/с— 980…1020С [124]. Поэтому, учитывая, что скорость нагрева при электроконтактном упрочнении время нагрева не превышает 1 с, выбираем температуру нагрева для обрабатываемой поверхности 1100…1200 0С. Несмотря на то, что нагрев идет до более высокой температуры, чем при нагреве в печи, самого перегрева металла не происходит. Объяснить это можно тем, что за короткое время нагрева зерно не успевает вырасти. Благодаря более высокой температуре и более быстрому охлаждению твердость после термомеханической обработки получается выше, чем при закалке. Это обеспечивает более высокую износостойкость и прочность поверхности детали. Также действует еще один фактор, который способствует повышению прочности - это появление на поверхности детали мартенситной структуры с сжимающими напряжениями. Чем меньше глубина слоя закалки, тем в больше проявляются такие напряжения. Температура при электроконтактном упрочнении регулируется с помощью силы проходящего тока. Следующий параметр обработки – это линейная скорость перемещения инструмента вдоль обрабатываемой поверхности
Усилие сжатия медной проволоки к обрабатываемой поверхности зависит от способа электроконтактного упрочнения. При использовании приспособления изображенного на рисунке 2.6 сила сжатия конструктивно будет зависеть от усилия пневмоцилиндров и она будет не одинаковой по окружности, поэтому в данном случае требуется поворот детали на полоборота. При использовании приспособления (рисунок 2.8) сила сжатия конструктивно будет зависеть от зажима ободка диафрагмы и будет относительно постоянной по длине окружности. В любой случае максимальное усилие сжатия должно быть меньше предела текучести материала детали при данной температуре, т.е. F = am-S, Н (2.11) где S - площадь поверхности соприкосновения, мм2 ат - предел текучести материала при данной температуре, МПа S = r-D-b (2.12) где b - ширина соприкосновения, мм D - диаметр детали, мм Для оценки предела текучести при определённой температуре в работе [119] используется следующая формула 7т = 7т0 \2 1-— (2.13) где ат - предел текучести; ато - предел текучести материала в холодном состоянии; Т - текущая температура; Тш - температура плавления материал В работе [118] рассмотрена следующая зависимость релаксации напряжений при вязкоупругом течении процесса а = а0е /ву (2.14) где Go - начальное напряжение материала образца; t - время процесса выдержки; Лу = ъ постоянная релаксации при вязкоупругом течении; Ао - постоянная времени интегрирования; Q - энергия активации сдвига атомов, движущихся в соседних слоях с разной скоростью; R -постоянная газовая. В работе [117] автор привел зависимость предела текучести от содержания легирующих элементов в легированной стали и температуры от =(і40-0ДТХі,4 + С + М2 + 0,ЗСг) , (2.15) где С, Мп, Сг -содержание углерода, марганца и хрома.
Основываясь принципами термодинамики необратимых процессов в работе [116], предлагается формула экспоненциальной зависимости сопротивления деформации от температуры нагрева: где JS - напряжение текучести материала при данных температурно-скоростных условиях деформирования металла; Go и упл - сопротивление деформации материала, экстраполированное до 0С и при соответствующей температуре плавления Тпл, Ъ - температурный коэффициент, зависящий от скорости деформации, степени, химического состава, температуры, типа кристаллической решетки и микроструктуры; в - доля от температуры плавления материала.
Кроме представленных формул также имеются данные по измеренным зависимостям тв, ат и J0,2 от температуры [112…115] (щ2 - условный предел текучести, если допуск на остаточную деформацию не оговорен), представленных в виде графиков и таблиц. Наиболее удобная формула для расчета стт (2.12) и (2.13) в 2.11 получаем л-В-Ъ (2.18) Пример расчета режимов электроконтактного упрочнения при следующих условиях: диаметр детали D = 20 мм, ширина соприкосновения b = 1 мм, время воздействия температуры на обрабатываемый участок tв = 0,3 с, длина обрабатываемой поверхности детали 1 = 50 мм, предел текучести материала в холодном состоянии jm0 = 245 МПа (сталь 45), температура в зоне обработки Т=1200 С, температура плавления материал Тпл = 1500С (сталь 45).
Оценка зоны термического влияния при электроконтактной приварке присадочных материалов и последующем электроконтактном упрочнении
Механическая обработка слоя приваренной ленты на деталях восстановленных электроконтактной приваркой стальной ленты осуществляется на обычных круглошлифовальных станках нормальными абразивными кругами.
Изучали влияние химического состава материала, размеров ленты, образцов и режима приварки на величину припуска на механическую обработку. Проведенные исследования показали, что припуск на механическую обработку зависит не только от толщины привариваемой ленты, но и от диаметра детали, марки стали привариваемой ленты, величины сварочного тока (таблица 4.1). При одной и той же марки стали привариваемой ленты и различной величине сварочного тока можно получить разные значения припуска на механическую обработку. При увеличении величины сварочного тока припуск на механическую обработку увеличивается. Не малую роль играет и диаметр самой детали, при прочих равных условиях, при большом диаметре детали припуск на последующую механическую обработку меньше. Например, при сварке ленты из стали 50, толщине ленты 0,8, сварочном токе 10,9…11,2 кА и диаметре детали 80 мм получаем припуск на механическую обработку на сторону 0,15 мм, а при диаметре детали 30 мм – 0,11 мм на сторону.
Исследования влияния химического состава материала, размеров ленты, образцов и режима приварки на величину припуска на механическую обработку показало, что все выбранные показатели в той или иной степени влияют на припуск на механическую обработку, но значительное влияние оказывают режимы приварки стальной ленты.
Влияние химического состава материала, размеров ленты, образцов и режима приварки на величину припуска на механическую обработку (ток сварочный - 9… 11 кА, длительность времени импульса - 0,06 с, длительность паузы - 0,10 с; для вала 0 80 мм частота вращения шпинделя - 2 об/мин., продольная подача роликов - 9 мм/об.; для 0 30 мм частота вращения шпинделя - 6 об/мин., продольная подача роликов - 4 мм/об).
Влияния режимов приварки металлической ленты на величину значений припуска на механическую обработку приведены в таблице 4.5. Таблица 4.5 - Влияние основных режимов приварки ленты на размер припуска для механической обработки (лента: сталь 30, толщина 0,4 мм; диаметр образца 30 мм; частота вращения детали 8 об/мин; продольная подача роликов 4 мм/об – образцы 1-6; 5,5 мм/об – образцы 7, 8)
Из данных таблицы 4.5 видно, что припуск на механическую обработку зависит от всех без исключения значений режимов приварки (продольной подачи роликов, сварочного тока, длительности импульса и паузы) стальной ленты, но наибольшее влияние оказывает длительность импульса тока и продольная подача роликов. Например, при одном и том же значение сварочного тока 3,5…3,8 кА, длительности паузы 0,03…0,04 с., 0,02 с. получаем значение припуска на механическую обработку на сторону 0,14 мм, а при длительности импульса 0,06 с. – 0,23 мм на сторону. Получаем, что при увеличении, в данном случае, длительности импульса в 3 раза припуск на механическую обработку увеличивается в 1,6 раза.
Аналогичные данные получены и в работе [140], где увеличение силы сварочного тока и времени его прохождения оказывают значительное влияние на «гребнистость» приваренного покрытия, о чем свидетельствуют данные, которые приведенны в таблице 4.6. Таблица 4.6 – Данные воздействие режима приварки ленты на значение припуска на механическую обработку (толщина стальной ленты – 0,5 мм, диаметр – 30 мм) давление на роликовые электроды – 180…200 кПа I, кА Tимпульса, с Припуск на окончательную механическую обработку (чистовое шлифование), мм Марка стали 65 Г 20Х13 12Х18Н10Т 6,0 6,0 0,04 0,08 0,14 0,18 0,12 0,16 0,14 0,15 0,12 0,20 9,0 9,0 0,04 0,08 0,26 0,30 0,22 0,28 0,22 0,29 0,24 0,30 12,0 12,0 0,04 0,08 0,33 0,39 0,30 0,39 0,30 0,39 0,34 0,40 Как видно из приведенной таблицы 4.6 увеличение времени прохождения тока или величины ее силы как правило приводит к потере при механической обработке до 80 % от толщины привариваемой ленты (при увеличении силы тока с 6 кА до 12 кА припуск на механическую обработку увеличивается в 2,3 раза).
При изучении электроконтактной приварки перспективного присадочного материала, а именно порошкового выявлены следующие недостатки - трудность регулирования значения толщины покрытия, концентрация металлического порошка на краях поверхностей дискового электрода, а также повышенный расход ферримагнитных порошков.
У электрода у которого плоская рабочая поверхность неравномерно распределяется плотность тока j (рисунок 4.2). По значениям кривых плотности тока можно сказать, что большая плотность тока получается рядом с границами контактов материалов, что приводит к большой концентрации порошка на краях поверхностей дискового электрода. Которое приводит к тому, что накопившийся порошок просто смывается с поверхности детали жидкостью для охлаждения. Для уменьшения этих недостатков предлагается немного изменить значения радиуса закругления поверхностей дискового электрода установки для контактной приварки различных присадочных материалов. Были проведены соответствующие эксперименты по влиянию радиуса закругления поверхности роликового электрода на формирование покрытия из порошка при электроконтактной приварке металлических порошков.