CC BY
59
УДК 620.169.1
Технологии машиностроения
ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ И КАЧЕСТВА ТЯЖЕЛОНАГРУЖЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ С ИЗНОСОСТОЙКОЙ НАПЛАВКОЙ
В.Н. Гадалов, С.В. Сафонов, Ю.В. Скрипкина, Б.Н. Квашнин
Рассмотрены вопросы повышения эксплуатационной надежности и качества тяжелонагруженных деталей с износостойкой наплавкой
Ключевые слова: тяжелонагруженная деталь, износостойкая наплавка
Повышенная склонность износостойкого наплавленного металла к образованию горячих трещин объясняется увеличенной протяженностью температурного интервала хрупкости (ТИХ) и никой пластичностью его в ТИХ, обусловленными высоким содержанием углерода в износостойком сплаве и многокомпонентным его легированием. Наличие большого количества углерода и карбидообразующих элементов способствуют, наряду с увеличением температурного интервала кристаллизации, образованию в расплаве легкоплавкой ледебуритной эвтектики, которая располагается, как правило, между растущими кристаллитами и является очагом зарождения кристаллизационной трещины. В работах Прохорова Н.Н., Мовчана Б.А., Шоршорова М.Х., Чернышовой Т.А., Якушина Б.Ф., Лейнайчука Е.И., Гривняка И. и др. показано, что при заданном химическом составе склонность направленного металла к образованию горячих трещин понижается путем перехода от ячеистого типа кристаллизации к дендритному. Это можно обеспечить снижением погонной энергии наплавки, а также введением в затвердевающую зону сварочной ванны присадочного металла в виде гранул или проволоки, увеличивающих дисперсность первичной
структуры.
Другими характерными дефектами при износостойкой плавке закаливающихся сталей являются холодные трещины. Эти трещины в сравнении с вышеприведенными имеют иную природу образования и требуют других мер борьбы с ними. Большой вклад в теорию образования холодных трещин при сварке внесли работы ученых Прохорова Н.Н., Шоршорова М.Х., Макарова Э.Л., Гатальского Ю.Н., Макары А.М. и др., а так же ряда зарубежных. Эффективным методом
предотвращения трещин при износостойкой плавке при заданных химических составах направленного и
Гадалов Владимир Николаевич - ЮЗГУ, д-р техн. наук, профессор, e-mail: Gadalov-VN@yandex.ru Сафонов Сергей Владимирович - ВГТУ, канд. пед. наук, профессор, тел. (473) 246-29-90
Скрипкина Юлия Владимировна - ЮЗГУ, канд. техн. наук, тел. (4712) 50-45-70
Квашнин Борис Николаевич - ВГУИТ, канд. техн. наук, доцент, тел. (473) 255-15-49
основного металлов наряду со снижением уровня остаточных напряжений является регулирование структуры этих металлов тепловым воздействием. Наиболее часто холодные трещины образуются вблизи границы сплавления, располагаясь в наплавленном металле на участке мартенситной структуры зоны металла переменного состава. Существование такой зоны, как установлено в работах Петрова Г.Л., Земзена В.Н., Гатальского Ю.Н., Лившица Л.С. и др., объясняется тем, что в пограничном слое сварочной ванны нет механического перемешивания расплавленных основного и наплавляемого металлов, а имеют место лишь диффузионные процессы, приводящие в основном к значительной миграции углерода. В результате этих процессов в основном металле образуется обезуглероженная прослойка, а в наплавленном, вблизи границы сплавления, прослойка с повышенным содержанием углерода.
Анализ современных способов наплавки применительно к упрочению тяжелонагруженных деталей из закаливающих сталей твердыми износостойкими сплавами показывает, что ни один из этих способов, не обладая универсальностью, не решает главной проблемы повышения эксплуатационной надежности наплавленных деталей и производительности процесса упрочения. Получение износостойких наплавленных слоев, стойких против образования холодных и горячих трещин и качественной зоны сплавления сопровождается усложнением технологии, повышением энерго- и материалозатрат, снижением производительности. Вместе с тем предварительный подогрев изделия, ограничения тепловой мощности дуги, нанесения промежуточного подслоя и т. д. не всегда гарантируют требуемое качество наплавленного слоя.
На основании выщеизложенного в работе разработаны требования на усовершенствование технологического процесса наплавки и выдвинуто предложение, что для повышения трещеностойкости наплавки наряду с производительностью процесса целесообразно осуществлять ее путем одновременного формирования аустенитного подслоя и износостойкого слоя, используя идею локального легирования и внутреннего стока тепла, предложенную Якушиным Б.Ф. [1].
Проведенные исследования и анализ процесса ассимиляции присадки в сварочной ванне позволили
прийти к заключению, что для обеспечения высокой износостойкости расплав ванны целесообразно легировать элементами, повышающими
износостойкость, через электрод. В тоже время получить аустенитный подслой можно, лишь расплавив аустенитную присадочную проволоку в пристенном слое дна ванны. Причем необходимо исключить плавление присадки в конвективных потоках ванны. Для этого следует уменьшить нагрев присадки на вылете и усилить контактное плавление. Источник нагрева присадки должен быть аналогичным источнику теплоты при стыковой контактной сварке. Высокая концентрация тепловыделения в контакте, как известно, обеспечивается за счет импульсивных разрядных процессов. Исходя из этого для контактного плавления присадки на дне ванны был рекомендован источник кратковременных импульсов постоянного тока низкого напряжения. Применение такого источника для расплавления присадочной проволоки при формировании износостойкий двухслойных валиков дало положительные результаты.
Исследование формирования подслоя и наплавляемого валика проводилось на режиме: 1св =340...370 А, Ш=26...28 В, Ун =0,7...10 м/с. В качестве электрода использовалась порошковая проволока ПП-АН122 диаметром 2,6 мм, в качестве присадки - Св - 09Х16Н25М6АФ диаметром 2 мм, а также материалы, приведенные в таблице. Наплавлялись плоские и круглые образцы из сталей 45, 40Х и 60 на постоянном токе при обратной полярности. Наплавка производилась на автомате ТС -17 М , модернизированном для наплавке порошковой проволокой с дополнительной присадкой, а также на специально изготовленной установке для наплавки цилиндрических поверхностей. В качестве источника импульсивного тока использовался генератор импульсов ГИ-ИДС-1.
Экспериментально установлено, что подслой начинает формироваться при введении присадочного металла не менее 30% от массы электродного металла. Введение присадочной проволоки более 130% нежелательно, из-за снижения твердости верхнего слоя вследствие повышенного участия в нем мягкого присадочного металла. Выявлен оптимальный диапазон мест ввода присадки в сварочную ванну, равный р = 0,30.0,40 (р-безразмерная величина, являющаяся отношением расстояния между электродом и присадкой 1 к длине сварочной ванны Ь), гарантирующий получение подслоя на границе сплавления наплавленного и основного металлов. С целью получению подслоя по все границе сплавления было рекомендовано сообщать присадочной проволоке колебания поперек наплавляемого валика. Экспериментально
условлено, что качественное формирование подслоя на границе сплавления обеспечивается при колебаниях присадочной проволокой с частотой Г=1-3Гц, зависимой от скорости наплавки
{ =--------У-Н------------------------- (1)
J 0,0083УН +0,17УН +9,55 ^
где Г- частота колебаний присадочной проволоки,
Гц; Ун- скорость наплавки, м/ч.
Амплитуду колебания присадки (С) следует выбирать в зависимости от ширины наплавленного валика (В), используя соотношение С/В=А, которое не должно превышать 0,8 для всех режимов наплавки, в противном случае возрастет вероятность выхода присадки из расплава ванны.
Установлено, что для получения бездефектного формирования подслоя необходимо соблюдать определенное соотношение между среднеквадратичным значением импульсного тока 1п, расплавляющим присадку, и скоростью подачи присадки Уп. С целью установления этой зависимости разработана физическая модель плавления и ассимиляция присадки в сварочной ванне. Анализируя визуально наблюдаемый процесс плавления присадки в ванне и вне ванны на металлической подкладке, а также осциллограммы импульсов тока и напряжения, выявили, что нагрев и плавление присадочной проволоки происходит методом сопротивления в твердой фазе. Плавление присадки можно представить следующим образом. На первой стадии, когда во время контакта торца присадки с дном сварочной ванны подается первый импульс тока длительностью 1 им, вследствие высокой плотности тока в микровыступах участках контакта и повышенного сопротивления этих участков происходит приконтактный разогрев проволоки и зоны основного металла до температуры 0,8 Тпл - Тпл. Интенсивный теплоотвод в массивный основной металл и различие в теплофизических коэффициентах аустенитного и перлитного металлов способствуют неодинаковому разогреву основного металла и присадки. За время 1 им, вследствие постоянной скорости подачи присадки Уп, происходит осадка проволоки под током, способствующая смятию
Сварочно-наплавленные материалы, используемые при исследовании формирования подслоя
№ № Электрод Присадка Флюс
1 ПП-АН 122 Св -04Х19Н11М3 -
2 ПП-АН 125 Св -09Х16Н25М6А Ф
3 Нп- 30ХГСА Св -04Х19Н11М3 АН- 348+флюсосмесь
4 Нп-65 Г Св -04Х19Н11М3 АН- 348+флюсосмесь
5 Св-20Х13 Св -09Х16Н25М6А Ф 48-ОФ-6
6 Св-20Х13 Св -04Х19Н11М3 48-ОФ-6
7 Нп-30Х13 Св -04Х19Н11М3 АН- 348А+флюсосмесь
микровыступов, уменьшению сопротивления
контакта и приводит к более равномерному нагреву по диаметру и длине приконтактного участка проволоки. Это устраняет образование взрывнодугового процесса. Вторая стадия начинается в момент прекращения действия импульса тока и по времени равна паузе - 1 пауз. между импульсами тока. За это время происходит осадки нагретого до температуры 0,8 Тпл-Тпл металла присадки. При этом нагретый металл интенсивно деформируется в поперечном направлении, образуя в месте контакта утолщение. Отсутствие на полуоплавленных зернах основного металла окисных пленок, высокая температура и наличие пластической деформации приводят к образованию физического контакта, переходящего в формирование металлической связи в твердо - жидком состоянии между основным и присадочным металлами. При подаче очередного импульса процесс плавления присадки повторяется.
Если величина 1п велика для данной скорости Уп, то плотность тока в микровыступах участках контакта повышается на столько, что приводит к образованию микродуг и возникновению взрывнодугового процесса. Это затрудняет формирование подслоя. Если величина Уп велика для данного 1п, то разогрев присадки до температуря 0,8 Тпл - Тпл из-за уменьшения сопротивления контакта (быстрое смятие микровыступов) происходят на
относительно небольшой длине. Вследствие этого при осадке без тока в зону деформации попадает относительно холодный металл, который или образует петли, или разрушается от чрезмерной деформации. Все это приводит к нежелательной ассимиляции присадки в конвективных потоках ванны.
На основе тепловых расчетов нагрева присадки на вылете теплом расплава ванны и от местного нагрева в контакте и использования специальной программы на ЭВМ была определена зависимость:
3п=31,4 0,017 (36) + 5 36 - 5,35 + 10, (2)
где 1п - ток присадки, А; Уп - скорость подачи присадки, м/ч.
Формула (2) получена для аустенитно-ферритной присадки.
Для аустенитной присадки значения 1п, вычисленные по формуле (2), умножаются на коэффициент Кс=1,1, а для ферритной - Кс=0,9.
Установлено, что количество ассимилируемой присадки мало зависит от теплофизических условий ванны, а определяется режимом подачи импульсного тока.
Исследование служебных свойств
комбинирования покрытия по сравнению с однослойной наплавкой, выполненной по действующей технологии, показывает значительное их повышение. Сопротивляемость наплавленного металла ударным нагрузкам повысились в два раза, а усталостная прочность наплавленных валов - в 1,3 раза.
Работа выполнялась в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.
Литература
1. А.С. 525511. Способ дуговой сварки
закаливающихся сталей / Б.Ф. Якушин и др. Б.И. №31,1976.
ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет»
ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»
ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»
HIGHER OPERATIONAL RELIABILITY AND QUALITY OF HEAVILY LOADED PARTS
WITH WEAR RESISTANT SURFACING
V.N. Gadalov, S.V. Safonov, J.V. Skripkina, B.N. Kvashnin
Issues of improving service reliability and quality of heavily loaded parts with wear resistant surfacing.
Key words: heavily loaded part, wear resistant surfacing.
