Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса
1.1. Современный уровень исследований процесса электроконтактной наварки проволокой 8
1.2. Технологические методы повышения прочности соединения основного и присадочного металлов 17
1.3; Влияние процесса электроконтактной наварки на усталостную прочность деталей машин 24
1.4. Технологические схемы электроконтактной наварки и применяемое оборудование 31
1.5. Цели и задачи исследования 36
Глава 2. Исследование процесса электрокоптактной наварки проволокой оплавлением
2.1. Исследование механизма образования соединения при электроконтактной наварке оплавлением 38
2.2. Исследование процессов деформирования присадочной проволоки при ее наварке 49
2.3. Математическое моделирование электротепловой обстановки в зоне наварки 59
2.4. Исследование основных структур металлов в зоне образования соединения 68
2.5. Выводы 77
Глава 3. Управление качеством электрокоптактной наварки проволокой оплавлением
3.1. Причины возникновения дефектов сплошности и их предотвращение 79
3.2. Управление тепловыми процессами при наварке проволокой с резко отличными от материала детали физическими свойствами 88
3.3. Предотвращение дефектов при электроконтактной наварке проволок из сталей с повышенным электросопротивлением 96
3.4. Наиболее распространенные дефекты электроконтактной наварки и способы их предотвращения 106
3.5. Выводы ' 113
Глава 4. Исследование влияния процесса электроконтактной наварки проволокой оплавлением на усталостную прочность деталей
4.1. Разработка методики исследования усталостной прочности образцов после электроконтактной наварки 115
4.2. Разработка машины для проведения испытаний на усталость 124
4.3. Проведение экспериментов и анализ их результатов 129
4.4. Разработка методики расчета деталей, подвергаемых электроконтактной наварке 140
4.5. Выводы 149
Глава 5. Рекомендации по промышленному применению процесса электроконтактной наварки проволокой оплавлением
5.1. Технологическое оборудование для электроконтактной наварки проволокой 151
5.2. Технологические схемы и методика выбора режимов электроконтактной наварки проволокой оплавлением 159
5.3. Основные операции восстановления и упрочнения деталей машин электроконтактной наварки проволокой оплавлением 168
5.4. Примеры навариваемых деталей и расчет технико- экономической эффективности 176
5.5. Выводы 184
Общие выводы 185
Список литературы
- Технологические методы повышения прочности соединения основного и присадочного металлов
- Математическое моделирование электротепловой обстановки в зоне наварки
- Предотвращение дефектов при электроконтактной наварке проволок из сталей с повышенным электросопротивлением
- Проведение экспериментов и анализ их результатов
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Одним из важнейших направлений повышения технико-экономической эффективности использования продукции машиностроения является повышение качества ее ремонта и, в частности, повышение качества восстановления изношенных деталей машин. Более 60 % деталей выбраковывается из-за износа цилиндрических и резьбовых поверхностей, что указывает на целесообразность качественного и низкозатратного восстановления деталей с такими поверхностями. В настоящее время наиболее распространенными способами ремонта являются различные технологии дуговой наплавки: наплавка под флюсом, наплавка в углекислом газе, вибродуговая наплавка в воде и т.д. Однако дуговая наплавка значительной доли изношенных деталей мало целесообразна. Это вызвано большой глубиной проплавлення, чрезмерными припусками наплавленного металла на последующую механическую обработку, недопустимыми остаточными деформациями и т.д. Кроме того, определенные трудности возникают при ремонте поверхностей деталей диаметром до 50 мм с формированием слоя наплавленного металла высокой твердости. Разработанный для этих целей в 60-х годах прошлого столетия способ вибродуговой наплавки в воде не отвечает современным требованиям обеспечения качества восстановления.
Отдельную группу технологий ремонта составляют различные способы электроконтактной наварки (ЭКН), являющиеся разновидностью процесса шовной сварки. Их преимущества по сравнению с дуговыми процессами вызваны отсутствием сварочной ванны и малым тепловложением в деталь, возможностью восстановления деталей различного диаметра с использованием присадочных материалов различного химического состава. Процессы ЭКН могут быть реализованы с применением присадочных материалов в виде ленты, порошка, проволоки. Электроконтактную наварку лентой и порошком целесообразно применять для формирования достаточно тонких слоев, что ограничивает область применения этих технологий. Более .широкими технологическими возможностями обладает известный способ электроконтактной наварки проволокой (ЭКНП) в твердой фазе. Однако существенным недостатком этого процесса является сильная зависимость прочности получаемого соединения от состава окружающей среды и состояния поверхности металлов. Невысокая стабильность прочности соединения приводит к частому отслоению и разрушению слоя наваренного металла как при последующей механической обработке, так и в процессе эксплуатации деталей. Это вызывает необходимость проведения дальнейших исследований процесса образования соединения присадочного и основного металлов, разработку технологических мероприятий по обеспечению ее высокой прочности.
Малоисследованным остается вопрос о влиянии процесса ЭКНП на такой важный показатель работоспособности восстановленных деталей, как
усталостная прочность. Учет этого фактора является необходимым при восстановлении целого ряда деталей типа «вал», воспринимающих в процессе эксплуатации циклические нагрузки.
Для эффективного практического применения процесса ЭКН проволокой необходимо также решить ряд задач, связанных с повышением производительности процесса, разработкой технологического оборудования и типовых технологических процессов. При этом основным фактором, влияющим на возможность использования процесса ЭКНП для восстановления широкой номенклатуры деталей машин, следует считать качество восстановленных деталей.
Цель работы.
Разработать научно обоснованные технологические решения и оборудование для электроконтактной наварки проволокой, направленные на повышение качества восстановления изношенных поверхностей деталей машин. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
разработать процесс электроконтактной наварки проволокой с локальным оплавлением присадочного и основного металлов в зоне их контакта (ЭКНО);
выполнить комплексное исследование процесса формирования соединения между основным и присадочным металлами применительно к условиям ЭКНО;
- исследовать основные закономерности формирования структур в слое
наваренного металла и зоне термического влияния (ЗТВ);
выявить причины возникновения основных дефектов ЭКНО, предложить технологические мероприятия по их предотвращению;
исследовать усталостную прочность деталей после ЭКНО, разработать способы ее повышения;
- разработать технологические схемы и оборудование для практической
реализации технологии ЭКНО;
- разработать технологические рекомендации по использованию
процесса ЭКНО при восстановлении изношенных .деталей машин,
результаты исследований довести до промышленного применения.
Методы исследования.
Основные задачи работы решались на основе сочетания теоретических и экспериментальных методов исследования. Экспериментальные исследования процесса выполнялись на разработанной установке электроконтактной наварки. Исследования электротепловой обстановки в зоне наварки были выполнены с применением метода конечных элементов. Изменение формы проволоки при наварке было исследовано посредством замеров геометрических параметров единичных валиков наваренного металла, а также осаживаемых свинцовых моделей. Влияние режимов наварки на осадку наваренной проволоки было исследовано с применением
метода планирования эксперимента. Влияние режимов наварки на структуры слоя наваренного металла, зоны соединения и металла ЗГВ было исследовано посредством оптической микроскопии. Усталостная прочность наваренных образцов была исследована на разработанной машине МУИ-01М.
Научная новизна работы.
Осуществлено решение научной проблемы управления процессом формирования и качеством получаемых с помощью ЭКНО поверхностей вращения различных деталей машин, К научной новизне работы следует отнести следующее:
-
Установлено, что из-за кривизны поверхности электродов и детали каждым импульсом тока наваривается единичный объем присадочной проволоки, частично приваренный и деформированный предыдущим импульсом тока наварки, что приводит к двухстадийности формирования соединения при злектроконтактной наварке проволокой и необходимости согласования параметров режимов наварки с величиной осадки наваренной проволоки.
-
Установлен и экспериментально подтвержден механизм получения стабильно прочного соединения при электроконтактной наварке оплавлением, заключающийся в образовании в зоне контакта проволока -деталь жидкой фазы уже на первой стадии процесса при осадке проволоки до 60...65% для обеспечения разрушения оксидных пленок с частичным их удалением из зоны контакта и существовании жидкой фазы на всем протяжении импульса тока наварки с последующей осадкой на второй стадии процесса до 65...70% и более для обеспечения образования общих зерен в зоне соединения.
3. Установлены основные закономерности влияния условий ведения
процесса злектроконтактной наварки оплавлением на структуру и физико-
механические свойства слоя наваренного металла, в том числе и при
использовании присадочной проволоки с резко отличными от основного
металла детали электро и теплофизическими свойствами.
4. Установлено, что основным параметром режима наварки,
определяющим расположение области . максимальных температур в зоне
контакта присадочного и основного металлов на второй стадии процесса
наварки, является продолжительность пропускания тока наварки.
5. Установлено, что при наварке одного слоя выносливость деталей
повышается с увеличением содержания углерода в присадочной проволоке,
что можно объяснить явлением роста напряжения сжатия в результате
образования в слое наваренного металла закалочных структур. При этом
положительный эффект от увеличения остаточных напряжений сжатия
преобладает над возможным отрицательным эффектом увеличения
микродефектности структуры слоя наваренного металла в результате
образования закалочных трещин.
Положения, выносимые на защиту.
1. Принципиально новый подход к рассмотрению процесса
формирования слоя наваренного металла при ЭКНП.
-
Количественные критерии, определяющие механизм формирования соединения между основным и присадочным металлами.
-
Алгоритм расчета электрических и температурных полей в зоне образования соединения при ЭКНП с учетом ' деформации присадочной проволоки.
-
Инженерная методика определения параметров режима процесса ЭКНО.
5. Механизм образования соединения при ЭКНО металлов с
существенно различающимися электро- и теплофизическими свойствами.
6. Научно-обоснованные значения пределов выносливости деталей
машин, восстановленных с помощью ЭКНО.
Практическая ценность работы.
Разработан процесс электроконтактной наварки проволокой с локальным оплавлением присадочного и основного металлов в зоне их контакта (ЭКНО), обеспечивающий стабильность прочности соединения. Выявлены причины возникновения основных дефектов наварки и предложены технологические мероприятия по их предотвращению. Разработано технологическое оборудование для электроконтактнон наварки двумя проволоками. Определено влияние процесса ЭКНО на изменение усталостной прочности восстанавливаемых деталей. С применением процесса ЭКНО разработано более 800 технологических процессов восстановления изношенных деталей машин различного назначения.
Разработанные технологии и оборудование прошли опытно-промышленное апробирование и внедрение на 25 предприятиях РФ.
Апробация работы.
Результаты работы доложены и обсуждены на Всероссийских научно-технических конференциях в г. Калуге (1998 - 2004 г. г.), МГТУ (2000 г.), на 7-й международной конференции-выставке «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования инструмента и технологической оснастки» (2005 г.), 5-й международной научно-технической конференции «Инженерия поверхности и реновация изделий» (2005 г.), а также на научных семинарах кафедр «Технологии сварки», «Агропромышленная инженерия» КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана (2003, 2004 г.г.), «Технологии сварки и диагностики» МГТУ им. Н.Э. Баумана (2004 г.).
Публикации.
По результатам работы над диссертацией автором опубликована 51 печатная работа.
Объем и структура работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Диссертация содержит 217 листов, в том числе 108 рисунков и 11 таблиц. Список литературы состоит из 200 наименований.
Технологические методы повышения прочности соединения основного и присадочного металлов
В процессе нагрева навариваемого единичного объема присадочной проволоки происходит его осадка, сопровождающаяся увеличением площади поперечного сечения и соответствующим снижением сопротивления RH. Таким образом, величину Qo6 можно повысить, замедлив скорость осадки проволоки. Одним из возможных способов практической реализации этого подхода к управлению Qo6 можно считать способ наварки с затормаживанием роликового
электрода [88]. Сущность способа заключается в периодическом притормаживании с частотой 70... 100 Гц перемещения роликового электрода по направлению к поверхности детали в процессе осадки и наварки присадочной проволоки. В результате этого, увеличивается время интенсивного тепловыделения и, следовательно, температуры нагрева зоны образования соединения при прочих равных условиях.
Следует отметить, что эффект повышения интенсивности тепловыделения за счет уменьшения скорости осаживания соединяемых металлов может быть также достигнут при снижении усилия их сжатия. Этот технологический прием широко применяется в технике контактной сварки [168-169]. В связи с этим преимущество рассмотренного способа ЭКН с затормаживанием роликового электрода видится в возможности более точного и гибкого управления процессом тепловыделения за счет управляемых циклов кратковременного повышения Rn, не приводящих к чрезмерному нагреву проволоки в течение одного цикла.
Повысить мощность теплового источника и, следовательно, температуру в зоне образования соединения можно увеличив контактное электроспротивление проволока-деталь. Этот технический прием реализован в схеме электроконтактной рельефной наварки [88]. В этом способе непосредственно перед соединением присадочной проволоки и металла основы на поверхность детали и присадочной проволоки посредством роликов с насечками наносится рельеф глубиной 0,05...0,10 диаметра присадочной проволоки. Таким образом, по физической сущности этот способ является альтернативой создания шероховатости на поверхности детали в процессе ее предварительной механической обработки, влияние которой на прочность образующегося соединения было рассмотрено выше. Очевидно, что реализовать способ рельефной наварки при восстановлении ранее упрочненных поверхностей представляется затруднительным из-за сложности нанесения рельефа на поверхность детали высокой твердости.
Другим вариантом повышения контактного электросопротивления присадочная проволока-деталь является предварительное нанесения на поверхность детали металлических материалов с повышенным удельным электросопротивлением (А.с. № 1519859). Как указывают авторы этого. способа, подслой может быть нанесен различными методами: свободной насыпкой порошка, газотермическим напылением, установкой монолитного материала в виде фольги и т.д. Однако в любом случае этот способ наварки характеризуется повышенной трудоемкостью процесса за счет введения дополнительной операции нанесения подслоя, поэтому его практическое применение представляется целесообразным при ЭКН немногих, особенно ответственных или дорогостоящих деталей.
На основании выше сказанного можно видеть, что управление процессами тепловыделения и теплопередачи в зоне образования соединения . является существенным резервом повышения качества восстановления изношенных деталей.
При данной температуре образования соединения его прочность может быть повышена за счет инициирования развития процессов рекристаллизации. Для практического использования этого физического явления разработан способ наварки [81,88,144], согласно которому присадочную проволоку размещают на поверхности детали, в холодном состоянии деформируют на величину 0,50...0,75 конечной деформации, после чего нагревают зону образования соединения импульсом тока до температуры, превышающей температуру рекристаллизации. Авторы способа указывают, что в результате инициирования развития процессов рекристаллизации способ позволяет в 2...2,5 раза сократить длительность нагрева, примерно вдвое снизить энергоемкость процесса, повысить стабильность качества соединения.
Как отмечается в работе [81], процесс наварки единичного объема проволок можно условно разделить на две стадии. Первая стадия - это стадия активного деформирования, в течение которой развивается физический контакт с образованием межзеренной границы, происходит накопление искажений кристаллической решетки. На второй стадии, вызванной нагревом зоны соединения проходящим током, протекают процессы объемного взаимодействия, сопровождающиеся различными явлениями релаксационного характера типа рекристаллизации и гетеродиффузии. Интенсивная миграция границ зерен приводит к тому, что ориентированная в плоскости контакта межзеренная граница мигрирует, и в зоне соединения образуются общие для этих металлов зерна.
Эксперименты, проведенные авторами рассмотренного способа, показали, что образование общих зерен в зоне соединения имеет место только при указанных степенях предварительной деформации. Как при большей, так и при меньшей степени деформации в зоне соединения присутствовала граница раздела. По мнению авторов, причины этого следующие. При предварительной деформации менее 50% имеет место неравномерный нагрев зоны контакта (максимальный в центре и минимальный на периферии), при этом ток наварки ограничивается условием нагрева центральной части зоны соединения. При предварительной деформации более 75% чрезмерно снижается плотность тока и, соответственно, мощность тепловых источников, в результате чего не достигается и температура рекристаллизации.
Математическое моделирование электротепловой обстановки в зоне наварки
Основанием для предположения о существенном влиянии структурной неоднородности на усталостную прочность являются исследования усталостной прочности деталей после закалки ТВЧ, которые показали, что зоной зарождения усталостных трещин является зона отпуска вдоль кромок упрочненной поверхности [193].
Результаты исследований, изложенные в работах [43,45,61,1421 свидетельствуют о том, что такая структурная неоднородность поверхности детали является характерной особенностью процесса ЭКНП и не может быть устранена варьированием режимов наварки. По этой причине для устранения или снижения негативного влияния этого фактора на усталостную прочность наваренной детали необходимо применять ряд дополнительных технологических мероприятий. Так, известна схема электроконтактной наварки . в высаженную канавку, которая предусматривает предварительную электромеханическую высадку спиральной канавки на изношенной шейки вала с последующим электроконтактным навариванием в нее присадочной проволокой [5]. Валики наваренного металла оказываются разделенными высаженным металлом детали, что, по мнению авторов способа, должно привести к меньшему снижению усталостной прочности восстановленной детали. По нашему мнению такой вывод неоднозначен, так как поверхностная структурная неоднородность не устраняется, а формирование зоны отпуска на основном металле вместо наваренного не может изменить механизма . зарождения усталостных трещин. Кроме этого, как отмечается в [5], прочность соединения наваренной проволоки с основным металлом составляет всего 55...60 МПа, что во многих случаях является недостаточным. По этим причинам производственное использование рассмотренного способа электроконтактной наварки представляется весьма затруднительным.
Другим фактором, приводящим к снижению усталостной прочности деталей после ЭКНП, является возможное наличие в слое наваренного металла дефектов сплошности, оксидных .и других включений [70,72,142]. Так, исследования, выполненные в работе [70,72], показали наличие в зоне соединения покрытия с основой и в межвитковых соединениях, отдельные включения округлой формы оксида железа диаметром менее 0,003 мм. При наварке на заниженных токах включения располагаются вдоль границы соединения в виде цепочки. Результаты металлографического анализа и рентгенографических исследований позволили авторам указанных работ сделать заключение о высоком уровне локальных микронапряжений вблизи включений оксидов железа. Наличие таких зон, по мнению авторов, и является основной причиной снижения усталостной прочности образцов после ЭКНП.
С целью повышения усталостной прочности образцов, наваренных низкоуглеродистой проволокой предложено выполнять последующую обработку образцов поверхностно-пластическим деформированием (ППД) [129]. В результате обработки ППД усталостная прочность ступенчатых образцов из стали 45 возрастает с 145,9 МПа до 185,9 МПа и превышает усталостную прочность ненаваренных образцов [129]. В указанной работе были также исследованы остаточные напряжения после ЭКНП и ППД. Остаточные напряжения на поверхности образца определяли по методу полного освобождения. Для этого на образец наклеивали датчики с базой измерения 5 мм. После измерения сопротивления протачивали поперечные, канавки. Деформацию на поверхности образца измеряли по мере увеличения глубины канавки, что позволяло определить глубину, при которой обеспечивается полное отсутствие остаточных напряжений. Установлено, что обработка ППД значительно повышает уровень остаточных напряжений сжатия. Авторами рассматриваемой работы зафиксировано также при обработке ППД протекание процессов релаксации локальных микронапряжений, что, несомненно, также . способствует повышению усталостной прочности образцов после ППД.
Таким образом, обработка ППД наваренных поверхностей является действенным и легко осуществимым в условиях ремонтного производства способом повышения усталостной прочности отремонтированных деталей. В то же время, влияние обработки ППД на усталостную прочность деталей, требующих поверхностного упрочнения и наваренных углеродистой проволокой с подачей в зону наварки охлаждающей жидкости остается не исследованным.
Следует также отметить то, что обработка ППД может быть выполнена . только в том случае, когда зона соединения наваренного и основного металла обладает высокой прочностью и характеризуется наличием общих зерен. В противном случае имеет место отслоение металлопокрытия [129]. Это еще раз подтверждает необходимость совершенствования технологий ЭКНП в направлении обеспечения высокой прочности соединения слоя наваренного металла с основным металлом, указывает на целесообразность проведения дальнейших исследований для разработки процесса ЭКНП оплавлением [41].
В технологической схеме наварки одним электродным роликом сплошной слой металла образуется путем наварки спиралевидных перекрывающихся по ширине валиков металла одним роликовым электродом (рис. 1.7).
Токоподвод к детали осуществляется через патрон установки (контакты. скольжения графитовые щетки - медная обечайка). Данная технологическая схема имеет ряд существенных недостатков. Так, 32-процесс наварки ведется одной присадочной проволокой, следствием этого является низкая производительность процесса. При наварке протяженных валов размеры. сварочного контура изменяются соответственно перемещению роликового электрода, что приводит к изменению тока наварки в начале и в конце восстанавливаемой шейки. Сварочный ток протекает по всей длине детали, что вызывает ее повышенный нагрев и потери- электрической мощности.
Предотвращение дефектов при электроконтактной наварке проволок из сталей с повышенным электросопротивлением
При решении электрической задачи задавалась разность потенциалов между поверхностями А-В и К-Н. При решении температурной задачи на поверхности детали вне зоны контакта задавалось граничное условие 3-го рода, позволяющее учесть поверхностную теплоотдачу, вызванную подачей охлаждающей жидкости в зону наварки. Температура на поверхностях А-В и К-Н принималась постоянной и равной начальной температуре. Электро- и теплофизические свойства детали и проволоки принимали одинаковыми и отличными от свойств электрода.
Выполненные расчеты показали [57,64], что в начальной стадии осадки из-за малых площадей контакта роликовый электрод-проволока и проволока-деталь плотности тока в этих зонах значительно (до двух раз) превышают плотность тока в объеме проволоки (рис. 2.19). Это приводит к резкому росту температуры в этих зонах, в основном вблизи контакта проволока-деталь (вплоть до температуры плавления). Температура в контакте электрод-проволока несколько ниже за счет интенсивного теплоотвода в тело электрода. Максимальные температуры достигаются в центре контакта проволока- деталь, не смотря на то, что плотность тока выше на периферии пятна контакта. Такое распределение температурного поля объясняется как развитием процессов теплопередачи в основном металле, так и отводом тепловой энергии в охлаждающую среду, действие которого учитывалось принятием граничного . условия 3 рода. С развитием процесса осадки неравномерность распределения плотности тока и, соответственно, мощности тепловыделения, в контакте проволока-деталь возрастает (рис.2.20.), что соответствует результатам моделирования электрических полей применительно к процессам контактной сварки. — ІЮ А/н 2.0
Распределение электрических и температурных полей при малой степени осадке проволоки и на 1 стадии формирования соединения Не смотря на это, область максимальных температур располагается в центральной зоне контакта проволока-деталь (рис. 2.20), что объясняется, прежде всего, более продолжительным нагревом этих объемов проволоки и детали. Учитывая результаты исследований наварки единичного валика, изложенные в п.2.1, можно считать, что 1-й этап формирования единичного объема наваренного металла (осадка проволоки 55...60%) заканчивается именно при таком характере распределения температурного поля, характеризующимся зачастую недостаточным нагревом периферийной зоны контакта проволока-деталь. Второй этап формирования соединения проволоки с основным металлом начинается, соответственно, при уже деформированном сечении проволоки. На этом этапе продолжительностью до 0,06...0,08 с из-за небольшой степени осадки проволоки расчет температурных полей можно выполнять без учета деформации проволоки в процессе нагрева, максимальные температуры в процессе пропускания тока наварки достигаются на периферии валика. Распределение электрических полей аналогично ранее рассмотренному (рис.2.20). Однако область максимальных температур располагается не в центре контакта проволока деталь, а в его периферийных зонах, что объясняется действием повышенных плотностей электрического тока (рис.2.21). Это можно считать положительным фактором, так как способствует повышению прочности соединения в периферийных зонах контакта. Проведенные расчеты показали, что на расположение зон с максимальными температурами преобладающее влияние оказывает характер распределения и продолжительность действия внутренних тепловых источников. Изменение значений силы тока приводит к изменению абсолютных значений мощности тепловых источников и температур, не меняя общего характера температурного поля.
С увеличением продолжительности импульса тока зона максимальных температур смещается к центру контакта проволока -деталь и под поверхность детали (рис.2.22).
По этой причине продолжительность второй стадии более 0,04...0,06 с нецелесообразна, так как в центральной зоне контакта проволока-деталь возможно образование закрытой ванны расплавленного металла, кристаллизация которого в условиях небольшой осадки может привести к образованию кристаллизационных дефектов (усадочных пор и раковин), что подтверждено экспериментально (рис. 2.23).
В связи с изложенным общая продолжительность импульса тока наварки не должна превышать 0,10...0,12 с, а сила тока наварки должна быть достаточна для достижения температур плавления на всем протяжении импульса тока. В завершающей стадии формирования валика наваренного металла обеспечивается образование прочного сварного соединения с общими для присадочного и основного металлов зернами (рис.2.24).
Выполненные расчеты единичных термических циклов показали, что скорости охлаждения объемов металла, нагретых выше температуры 850...900С превышают критические скорости [33,132,143]. По этой причине в валике металла, наваренного углеродистой проволокой и в основном металле с содержанием углерода более 0,2.. .0,3% образуются закалочные структуры (рис. 2.27).
Мартенсит в слое металла, наваренного пружинной проволокой II класса С удалением от поверхности скорости охлаждения снижаются, время пребывания при максимальных температурах увеличивается. Так, в условиях интенсивного поверхностного теплоотвода в окружающую среду (охлаждающую жидкость) продолжительность пребывания основного металла при температурах выше 300...400С на глубине 3 мм от поверхности детали может оказаться больше, чем в зоне образования соединения (рис.2.28).
Распределение температур по глубине: 1 - в проволоке рядом с электродом; 2- в зоне контакта проволока-деталь; 3 - на глубине 1 мм от поверхности детали; 4 - на глубине 2 мм от поверхности детали; 5 - на. глубине 3 мм от поверхности детали Известно, что в объемах металла, нагреваемых до температур ниже начала аустенитного превращения, может наблюдаться некоторый рост зерна из-за процессов рекристаллизации предварительно упрочненного наклепом (обкатыванием или чеканкой) основного металла [33]. Этот факт экспериментально зафиксирован на глубинах 0,5... 1,0 мм от поверхности детали.
На поверхности детали с удалением от зоны наварки температуры монотонно снижаются (рис. 2.29). Ширина зоны поверхностности основного металла рядом с валиком наваренного металла, нагреваемая до температур выше 300...400С составляет 1...2 мм. При внешнем осмотре наваренных образцов эта зона фиксируется в виде окисленной, темно-фиолетовой полоски на основном металле рядом с кромками наваренного валика (рис.2.30).
В ранее закаленных объемах основного металла, нагреваемых ниже температур аустенитного превращения, имеет место частичный отпуск (рис.2.31).
При наварке единичного валика и, в большей степени при формировании сплошного слоя металла частично перекрывающимися валиками, наличие зон отпуска приводит к появлению неравномерной твердости слоя наваренного металла и поверхностного слоя основного металла (рис.2.32) [45J.
Основной причиной этого является многократный отпуск наваренного металла вблизи боковых кромок роликовых электродов (рис.2.33) [13,45,142]. Механизм формирования разупрочненных участков в электроконтактном покрытии пояснен на рис. 2.33. Сплошной валик наваренного металла 1 формируется за счет перекрытия единичных сварных точек 2. Сплошной слой наплавленного металла формируется за счет частичного перекрытия валиков наваренного металла.
Проведение экспериментов и анализ их результатов
Электроконтактная наварка штоков осуществлялась на установке УЭН-01 по двухзаходному технологическому варианту [65]. Шероховатость наваренной поверхности после шлифования и полирования соответствовало требованиям чертежа. Проведенные исследования позволили внедрить в производство малозатратный и ресурсосберегающий технологический процесс восстановления штоков с применением процесса ЭКНП. Успешная эксплуатация более 300 штоков, в частности, на Московско-Рязанской дистанции пути, подтвердила высокие эксплуатационные свойства наваренных деталей [51,63].
Наиболее распространенные дефекты электроконтактной наварки и способы их предотвращения При наварке углеродистой проволокой в слое наваренного металла могут образовываться макро- и микротрещины. Основной причиной появления макротрещин является непровар. Так, при многослойной наварке зафиксировано возникновение продольных трещин через всю навариваемую поверхность, при этом покрытие в виде монолитной корки отслаивалось от поверхности детали. Таким образом, причиной возникновения таких трещин следует считать недостаточную прочность сцепления с основой при высоком уровне возникающих внутренних напряжений. Следует отметить, что такой характер разрушения характерен и для других способов нанесения покрытий, при которых прочность самого покрытия превышает прочность его сцепления с основой, например, для газотермического напыления [95,101,182]. Чаще всего такого рода трещины образуются в процессе механической обработки наваренной поверхности и также сопровождаются отслаиванием покрытия. Механизм возникновения таких трещин, по всей видимости, следующий. В процессе шлифовании слоя наваренного металла в нем происходит выделение теплоты. При качественном соединении наваренного и основного металлов выделяющаяся теплота интенсивно отводится в тело детали, способствуя охлаждению обрабатываемого слоя шлифуемой поверхности и предотвращая возникновение чрезмерных термических напряжений. В случае же наличия непроваров возникает тепловой барьер, препятствующий отводу тепловой энергии от зоны шлифования и способствующий перегреву слоя наваренного металла. Возникающие при этом температурные напряжения, с одной стороны, и пониженная прочность соединения покрытия с основой, с другой стороны, способствуют растрескиванию слоя наваренного металла. Роль непроваров в качестве теплового барьера подтверждается тем, что образование таких трещин сопровождается образованием цветов побежалости, свидетельствующих о перегреве поверхности. Трещины, вызванные непроваром, могут быть выявлены магнитопорошковой дефектоскопией [117], хотя часто видны и невооруженным глазом. Они могут достигать несколько десятков миллиметров в длину, имеют ветвящийся вид, могут располагаться на наваренной
Макротрещина, выявленная магнитопорошковой дефектоскопией поверхности в различных направлениях (рис.3.19). №8 Протяженность микротрещин составляет не более нескольких десятых долей миллиметра (рис.3.20). Вероятность их образования возрастает с повышением диаметра навариваемой проволоки, с повышением толщины слоя наваренного металла, чрезмерным плавлением соединяемых металлов. Микротрещины образуются, как правило, на поверхности детали в зоне частичного отпуска и межвитковых соединений (рис.3.20,а). Возможно образование микротрещин от дефектов сплошности металлургического происхождения, например, при слишком высокой тепловой мощности импульса наварки, приводящего к образованию большего объема расплавленного металла (рис.3.20,6).
На основании имеющегося многолетнего опыта нами сделан вывод, что микротрещины являются менее опасным дефектом и для большинства деталей, не воспринимающих при эксплуатации значительных циклических нагрузок, не являются браковочным признаком.
Следует отметить, что выявить микротрещины можно, прежде всего, металлографическими исследованиями шлифов. Применение для этого магнитных методов контроля, в частности, магнитопорошковой дефектоскопии, затруднено по причине наличия в покрытии резко очерченных зон с различными структурами металла, границы которых совпадают с наиболее вероятными местами образования микротрещин.
Так, магнитопорошковому контролю были подвергнуты детали и образцы диаметром 30... 100 мм, изготовленные из сталей 10, 45, 40Х и других, широко применяющихся в машиностроении. Электроконтактная наварка осуществлялась пружинной проволокой 1-го класса диаметром 0,8 мм, пружинной проволокой 2-го класса диаметрами 1,6 и 2 мм, проволокой 65Г и проволокой Св-08А диаметром 1,6 мм. Число слоев наваренного металла варьировалось от 1 до 4. Последующая механическая обработка наваренных поверхностей выполнялась шлифованием, при этом толщина остающегося слоя наваренного металла варьировалась от 0,1 до 2 мм. Магнитопорошковая дефектоскопия показала следующее: на большинстве деталей, наваренных углеродистыми проволоками, порошок скапливался в виде линий протяженностью 10...50 мм и более, расположенных по направлению обкатывания детали роликовыми электродами (по направлению наварки) (рис.3.21).
Показания магнитопорошковой дефектоскопии при контроле поверхностей, наваренных углеродистой проволокой: а) х60; б) хЮ
Интенсивность осаждения порошка по этим линиям, а также их количество и частота расположения в каждом случае были различными. У значительного количества деталей избирательное скопление порошка имело место лишь с одной стороны наваренной поверхности. На некоторых деталях наличие порошка по винтовой линии с шагом, равным шагу наварки, дефектоскопия не показала.
Аналогичный характер осаждения порошка, но с меньшей интенсивностью, наблюдался также в случае электроконтактной поверхностной закалки образцов из стали 40Х без наваривания присадочного металла. Практически полное отсутствие показаний имело место при дефектоскопии деталей из различных сталей, наваренных проволокой Св-08А.
Осмотр изготовленных шлифов после травления [194] (увеличение в 250 раз) показал отсутствие в наваренном металле и зоне термического влияния дефектов сплошности типа трещин и пор. Линия раздела основного и присадочнсго металлов отсутствует. Глубина зоны термического влияния составляет от 1 до 2 мм. Наваренный металл и зона термического влияния характеризуются наличием различных закалочных и частично отпущенных структур с четко выраженными линиями их раздела. В зоне соединения соседних валиков и слоев наваренного металла наблюдается структура металла с темными вкраплениями, представляющими собой, по-видимому, разрушенные оксидные, пленки. Такая структура металла с резко выраженными зонами, с различными магнитными свойствами объясняет различный характер и неравномерное осаждение порошка при магнитопорошковой дефектоскопии. Отсутствие превращений мартенситного типа при наварке проволоки Св-08А приводит к формированию более однородной структуры наваренного металла с более равномерными магнитными свойствами. Магнитопорошковая дефектоскопия продольных шлифов после травления подтвердила скопление порошка в зонах частичного отпуска.
В то же время на части образцов, наваренных пружинной проволокой, дефектоскопия выявила наличие единичных непротяженных микротрещин, что может служить одной из причин снижения усталостной прочности восстановленных ЭКН деталей. Таким образом, для выявления микротрещин следует применять другие методы дефектоскопии, в частности, методы капиллярной дефектоскопии.
