Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Особенности экзотермической наплавки 12
1.1. Принцип процесса экзотермической наплавки 12
1.2. Основные способы экзотермической наплавки 14
1.3. Параметры режима процесса экзотермической наплавки 24
1.4. Компоненты термитной шихты
1.4.1. Основные компоненты 26
1.4.2. Легирующие добавки в термитной шихте 30
1.4.3. Металлический наполнитель 31
1.4.4. Технологические добавки 33
1.4.5. Связующие вещества
1.5. Оснастка для экзотермической наплавки 39
1.6. Задачи исследования 42
Глава 2. Определение состава термитной шихты для заварки малых дефектов 44
2.1. Определение количества основных компонентов шихты 44
2.2. Грануляция компонентов термитной шихты 45
2.3. Выбор способа уплотнения термитной шихты 49
2.4. Исследование состава термитной стали 60
2.5. Исследование влияния технологических добавок к шихте на качество термитной стали 64
Выводы 77
Глава 3. Особенности формирования наплавленного металла 78
3.1. Предварительный подогрев зоны наплавки 78
3.2. Определение условий качественного сплавления наплавленного металла с основным 82
3.3. Исследование условий снижения пористости наплавленного металла 97
3.4. Структура и механические свойства металла в зоне наплавки 115
Выводы 124
Глава 4. Технология экзотермической наплавки 126
4.1. Разработка технологической оснастки 126
4.2. Типовой технологический процесс заварки поверхностных дефектов стального литья 134
4.3. Опытно-промышленное опробование разработанного технологического процесса 140
Выводы 143
Заключение 144
Общие выводы 144
Предложения 145
Использованная литература 147
- Параметры режима процесса экзотермической наплавки
- Грануляция компонентов термитной шихты
- Определение условий качественного сплавления наплавленного металла с основным
- Опытно-промышленное опробование разработанного технологического процесса
Введение к работе
Актуальность темы. Небольшие поверхностные дефекты типа усадочных и газовых раковин объемом до 10...25 * 10"* м3 составляют более 60 % всех дефектов стального литья. Поверхностные дефекты являются концентраторами напряжений при эксплуатации изделия и могут существенно понизить прочность литых деталей. Кроме ТОГО, ПО' верхностные дефекты ухудшают товарный вид изделий. Поэтому их обычно заваривают ручной дуговой или газопламенной сваркой. Перед заваркой дефекта требуется его механическая разделка и подогрев. Рас ходуются дорогостоящие электроды или газы, операция заварки трудоёмка, требует наличия сварочного оборудования и высокой квалификации сварщика. Так, например, в ремонтно-лнтейном цехе АО АвтоВаз на заварке дефектов работают два сварщика 5-го разряда. Всё это увеличивает затраты на осуществление процесса заварки поверхностных дефектов литья.
Более экономичным процессом является экзотермическая наплавка, при которой нет необходимости в разделке дефекта, не требуется электроэнергия, горючие газы, электроды и сварочное оборудование. В качестве ингредиентов термитной шихты используются отходы металлургического производства и дешевые порошки первичного алюминия. Резко снижаются требования к квалификации рабочих. Обеспечивается высокая производительность процесса.
Однако процесс экзотермической наплавки изучен и освоен лишь для устранения крупных дефектов или восстановления крупных частей машин и механизмов, для которых требуется более трех килограмм термитной шихты (~1,5 кг наплавляемого металла). Сведения о технологии наплавки малыми порциями шихты, с выходом наплавляемого металла менее 0,3 кг, в литературе отсутствуют. Это связано с трудностями зажигания н обеспечения горения малых порций шихты: процесс горения не успевает установиться, сплошной слиток металла массой менее 03 кг по известным технологиям экзотермической наплавки получить практически невозможно. Особенности процесса наплавки в этих условиях не исследованы.
Это обуславливает актуальность темы работы.
Цель работы. Снижение затрат на заварку поверхностных дефектов стальных деталей посредством разработанной технологии экзотермической наплавки с использованием небольших объемов термитной шихты.
Анализ известных решений в области технологии экзотермической наплавки позволил установить, что для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задача:
- определить состав термитной шихты, обеспечивающий стабиль
ное протекание экзотермической реакции и формирование слитка тер
митного металла при малой порции Шихты; ^_____-______
РОС. НА1ШОНЛГ !:-.-';
3 Е,ив-іи:ош '*
'К
определить особенности формирования наплавленного металла;
разработать технологию экзотермической заварки малых дефектов и оснастку для его осуществления.
Методы исследования Поставленные задачи решались экспериментально, состав компонентов шихты и наплавленного металла исследовали путём химического анализа. Металлографические исследования структуры металла в зоне наплавки производили на агрегатном микроскопе ЕС МЕТАМ РВ - 21. Фотосъёмку макро и микроструктуры выполняли с помощью цифровой фотокамеры NIKON Cool PIX 4500 с последующей обработкой на компьютере. Аналитические исследования температурного поля выполнялись с помощью компьютерной программы MathCAD.
Основные положения я результаты, выпоенные на защиту.
-
Аналитические зависимости и экспериментально установленные соотношения, обеспечивающие точную дозировку шихты в зависимости от объема малых дефектов стального литья
-
Методика расчета и конструкция технологической оснастки.
-
Технологические условия, обеспечивающие качественное сплавление наплавленного металла с основным.
-
Технологический процесс экзотермической наплавки малых дефектов стального литья.
Научная новизна работы
-
Доказана возможность устранения поверхностных дефектов стального литья типа открытых раковин, объемом (10...25) * 10"* м* путем экзотермической наплавки с помощью термитной шихты, заключённой в форму, устанавливаемую на поверхности обрабатываемой детали.
-
Установлен сбалансированный состав шихты для экзотермической наплавки при устранении малых поверхностных дефектов литья: 30% алюминия и 70% оксида железа Fe304, в качестве которого взята окалина после дробеструйной обработки стальных деталей, причём грануляция порошка смеси компонентов должна составлять 10,,.40 мкм.
3. Разработана методика расчета формы для экзотермической за
варки малых дефектов стального литья, заключающаяся в определении
размеров формы по предложенным формулам в зависимости от разме
ров наружного контура дефекта и объёма его полости,
4. Экспериментально установленая зависимость формирования
наплавленного металла от расположения термитной шихты относи
тельно формы, заключающаяся в том, что полость над поверхностью
шихты отрицательно влияет на сплавление наплавленного металла с ос
новным, обуславливая непровар в центральной части наплавки. Доказа
но, что сплошное оплавление внутренней поверхности завариваемого
дефекта и надёжное сплавление, наплавленного металла с основным
можно получать, заполнив термитной шихтой полость крышки формы.
5. Установлено, яго цикл экзотермической наплавки при стабильном течении процесса может обеспечить практически полное отсутствие пористости наплавленного металла. Технологические меры по уменьшению пористости должны быть направлены на повышение стабильности экзотермической реакции.
б. Определена основная причина повышения твёрдости наплавленного термитного металла, которая заключается в образовании в процессе экзотермической реакции интерметаллидов типа Fej,A!m, распределенных в наплавленном металле в виде мелкодисперсных включений.
Практическая ценность результатов работы
Разработанные и экспериментально проверенные состав термитной шихты, конструкция оснастки (формы) и методика её расчета, а также исследованные условия качественной наплавки термитного металла, позволили разработать технологию экзотермической заварки малых дефектов стального литья, обеспечивающую снижение затрат на заварку поверхностных дефектов. Технология прошла промышленное опробование на Волжском автомобильном заводе и пригодна для применения в литейных цехах машиностроительных заводов.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на первой научно-практической конференции молодых специалистов АО «АВТОВАЗ» 28 - 29 октября 1999 г., г. Тольятти, на Всероссийской научно - технической конференции с международным участием «Прогрессивные технологические процессы в машиностроении» 15.,.17мая2002г., г. Тольятти, на Всероссийской научно—технической конференции «Сварка - XXI век. Теория и методика, повышение качества профессионального образования и аттестация специалистов сварочного производства» 25...27 сентября 2002 г., г. Тольятти и на объединённом научном семинаре кафедр «Оборудование и технология сварочного производства», «Оборудование и технология пайки» и «Восстановление деталей машин» Тольяттинского Государственного университета 7 мая и 11 ноября 2004 г.
Публикации
По результатам выполненных исследований имеется 8 публикаций: две статьи в журнале «Сварочное производство», три статьи в сборниках, три патента РФ на изобретения {№ 2129057, J& 2182063 и патент по заявке Ла 20031244722/20, по которой Роспатентом 4 июня 2004 г. принято положительное решение).
Структура и объём работы
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Ход и результаты работы изложены на 15S страницах машинописного текста, иллюстрированы 47 рисунками и 11 таблицами. Список использованной литературы содержит 130 наименований литературных источников информации.
Параметры режима процесса экзотермической наплавки
К параметрам режима экзотермической наплавки следует отнести температуру предварительного подогрева и скорость наплавки, которая зависит от скорости протекания экзотермической реакции.
Необходимость предварительного подогрева возникает в результате потерь тепла в ходе экзотермической реакции. Тепловая энергия может расходоваться на нагрев оснастки; ограждения при наплавке плавлением, тигля и формы при наплавке литьём, заглушек при центробежной наплавке. Кроме того, тепло может теряться в результате излучения и конвекции от жидкого металла и шлака при заливке в форму или от поверхности реагирующей смеси, либо от поверхности наплавляемой детали. Потери тепла могут быть столь велики, что экзотермическая реакция может не доходить до конца [42].
Частично потери тепла можно уменьшить с помощью теплоизоляции зоны наплавки, например, с помощью тиглей с крышками при наплавке литьём [51; 90; 119; 123; 125; 127; 130] или закрытых ограждений при наплавке плавлением. Такие ограждения могут быть выполнены в виде разъёмной формы из двух половин [128; 129;], или в виде целой формы, одетой как втулка на ремонтируемую деталь [41]. При наплавке плавлением применяют также сплошные ограждения, расположенные по контуру дефекта [20] и закрытые крышкой.
Однако полностью потери тепла конструкцией ограждений не устраняются. В большинстве случаев рекомендуют производить предварительный подогрев зоны наплавки. Для повышения механических свойств наплавленного металла рекомендуют производить термообработку наплавленной поверхности, сжигая на ней специальную термитную смесь [34; 35; 70; 122], с последующей обдувкой воздухом [122].
Потери тепла можно также уменьшить путём введения в состав экзотермической смеси технологических добавок, которые во время реакции образуют на поверхности наплавленного металла теплоизолирующие шлаки. Особенно широко этот приём применяют в литейном производстве для утепления прибылей [12; 18; 26; 29; 39; 56; 63; 77; 81; 83; 85; 92; 100; 101]. Однако, как при литье, так и при экзотермической наплавке такие технологические добавки могут внести загрязнения в металл и снизить его механические свойства.
Поскольку значение предварительного подогрева зоны наплавки весьма велико [27], очевидно, что его применение при разработке технологии следует предусмотреть. Для осуществления предварительного подогрева обычно применяют газовые горелки [54].
Предварительный подогрев рекомендуют для стали и стального литья до 900С; серого чугуна до 800С (структурно сложные серые чугуны требуют подогрева всей заготовки до 600С) [84]. Другие исследователи рекомендуют предварительный подогрев для сталей Ю0...600С [20], 677С для стали 20Л [90] 600...700С, для наплавки ковша экскаватора [74], 900...950С для наплавки рельсов [71], 100 ...300С при ремонте поддонов для изложниц [7]. Температуру предварительного подогрева определяют контактной термопарой или термокарандашом [20].
Таким образом, единые рекомендации по выбору температуры предварительного подогрева отсутствуют. Следовательно, при разработке технологии наплавки для заварки малых дефектов необходимо исследовать влияние подогрева на качество наплавки и выбрать его параметры.
Скорость наплавки мало зависит от объема наплавляемого материала. Например, до 2000 кг наплавляемого материала может быть нанесено за 30 секунд. Среднее время экзотермической реакции 4 — 20 секунд [84]. Существенное влияние на скорость наплавки может оказывать состав экзотермической смеси.
При изготовлении термитной шихты следует принять во внимание, что необходимо получить сталь, соответствующую по своей характеристике свойствам основного материала. Поэтому выбор и подготовка термитной шихты имеет большое значение.
Основными компонентами термитной шихты являются оксид наплавляемого металла и металл - восстановитель.
Как правило, в качестве оксида металла для экзотермической наплавки стальных изделий применяют оксид железа.
Оксид железа поставляет алюминию кислород, необходимый для горения и большую часть железа, необходимого для производства стали. В качестве оксида железа используют кузнечную или прокатную окалину либо гематит (железную руду). Известно применениє оксида трехвалентного железа [8]. Производственная окалина имеет следующий химический состав, %: 0,05 - 0,15 С; 0,10 - 0,35 Si; 0,1 - 0,35 Мп; 0,01 - 0,03 S; 0,01 - 0,03 Р; 40 - 50 Fe203; 50 - 60 FeO [71; 79; 83]. Кислородный баланс окалины составляет 25,43% [71].
Поскольку окалина содержит при доставке примерно 60% FeO и имеет низкий кислородный баланс, то через оксидирующий накал она должна быть обогащена кислородом. Обычно ее подвергают обжигу в печи или окислительном пламени при температуре 850 -900С в течение 1 часа [52; 64; 71; 79; 83; 103; 106; 107; 115; 121] В процессе обжига кислородный баланс достигает 28,0 - 29,0% 02, что является нормой для составления термитной шихты. Кроме того, при обжиге выгорают различные загрязнения. При этом происходит реакция окисления не прореагировавшей раньше закиси железа: 4FeO + 02 = 2Fe203 [71; 120].
Затем окалину подвергают измельчению до размера частиц от 0,1 до 1,5 мм. [71; 84; 121].
Вообще рекомендуют применять прокатную окалину с проволоки, так как она уже дробленая и не требует механического измельчения [121]. Можно также заменить окалину гематитом (железной рудой) [101].
Для сварки алюминия в качестве металла-окислителя применяют сульфат металла (MgS04, BaS04, Са S04), который экзотермически реагирует с металлом-восстановителем [124].
В качестве металла — восстановителя в экзотермических смесях в подавляющем большинстве случаев применяют алюминий.
Углерод, кремний, магний в качестве источника теплоты играют второстепенную роль. Хотя углерод имеет высокий удельный коэффициент сгорания, он выделяет газообразные продукты, которые отводят теплоту вместо того, чтобы ее накапливать. Кремний способен растворяться в стали прежде, чем успеет сгореть. Магний отличается лёгкой воспламеняемостью [83].
Применяемые в качестве металла - восстановителя частицы алюминия должны быть высокой чистоты, так как его химические и физические свойства так же, как и свойства оксида железа, сильно влияют на ход протекания алюминотермитной реакции [121]. Чем больше чистота алюминия (с 91 по 99%) [71], тем выше качество наплавки. Содержание активного алюминия в порошке или крупке должно быть не менее 96% [83].
Грануляция компонентов термитной шихты
Чем меньше порция термитной шихты, тем мельче должны быть составляющие её компоненты [71]. Для относительно большой порции термитной смеси, массой 3...9 кг (например, для наплавки рельсов) компоненты измельчают примерно до 1 мм в поперечнике. Величина измельчения компонентов термитной шихты для порции в 0,2...0,6 кг ранее не исследована, поэтому в настоящей работе её определяли экспериментальным путём
Известно, что размер d частиц алюминия существенно влияет на время тг их горения [91, с. 149]. Влияние это близко к квадратичной за-висимости: тг d . Поэтому в процессе заварки малых дефектов слишком большой размер частиц может замедлить экзотермическую
реакцию до такой степени, что не удастся нагреть поверхность полости дефекта до температуры плавления, тепло будет расходоваться на нагрев массы ремонтируемой детали. При этом реакция может оказаться не стабильной. Слишком малый размер частиц может привести к такому увеличению скорости их горения, при котором возникнет так называемый пироэффект [101], сопровождающийся сильным разбрызгиванием горящей шихты, которое может также привести к преждевременному прекращению реакции.
Величина измельчения компонентов термитной шихты для порции в 0,2.. .0,6 кг ранее не исследована, поэтому в настоящей работе её определяли экспериментальным путём
Исследовали 4 группы шихты различной грануляции (таблица 2). Размеры частиц алюминия и оксида железа в каждой группе были примерно одинаковыми.
Компоненты смеси каждой группы брали в соотношении 30% алюминия и 70% оксида железа, затем смешивали в смесителе в тече 47 ниє 15...20 минут. Масса порций смеси в каждой группе составляла 0,2 кг. Далее смесь засыпали в форму - цилиндрический стакан из формовочной земли. Стакан выполняли диаметром 0,06 м, высотой 0,1 мис толщиной стенки 0,02 м (рис.5). Формовочная смесь состояла из следующих компонентов: песок балашейский 1К20202 по ГОСТ 2138-91 - 2...3%, суспензия бентонито-угольная И120.37.101 по ГОСТ 1279-84 - 0,8...5,0%, бентонит по ГОСТ 28177-89 - 0,1...0,4%, уголь гранулированный по ТУ 12.36.210-91 - 0,1...0,4%, экструзионный крахмальный реагент ЭКР - 0,015. ..0,03%, отработанная формовочная смесь - 96,5...98,5%. На стакан устанавливали выпуклую крышку с центральным отверстием 05-10" м, выполненную так же, как и стакан, из формовочной смеси. Крышка предохраняла от брызг во время реакции, а также усиливала динамическое воздействие газов на реагирующую смесь и образующийся при реакции термитный металл. Предполагалось, что это воздействие газов позволит получить целый слиток термитного металла.
Термитную смесь поджигали через отверстие в крышке посредством термитных и обычных спичек. От зажигания смеси газовой горелкой в этом эксперименте отказались, так как пламя горелки раздувало смесь. Измеряли время и оценивали характер горения смеси, определяли результат реакции (таблица 3).
Из четырёх исследованных смесей зажглись и прореагировали только две смеси: №1 и №2. Термитная смесь №1 с наименьшим измельчением частиц компонентов сгорела быстрее всех, всего за 2 с, реакция была более бурной, чем у всех других смесей. Такой характер реакции термитных смесей с мелкой грануляцией подтверждается многими литературными источниками [39; 71; 101; 121]. Металла, выделившегося в результате реакции, было всего 2...3 шарика диаметром до 1 мм. Часть смеси была выброшена газами во время реакции через отверстие в крышке.
Шлаковый спёк, который образовался в результате реакции составлял около 50% от первоначального веса шихты..
Термитная смесь №2 по сравнению с термитной смесью №1 горела менее бурно и дольше на 3 с. Простой спички для её зажигания было уже не достаточно, поэтому использовали термитные спички.
Результатом горения термитной смеси №2 также был шлаковый спек, составляющий около 50% первоначального веса смеси. Но выделившийся в результате реакции металл, вкрапленный в шлак, уже представлял собой 2...3 слитка диаметром по (5...7) 10" м и составлял около 10% от веса всего шлакового спёка. Таким образом, лучший результат показала термитная смесь №2 и в дальнейших исследованиях использовалась именно эта смесь - смесь с измельчением компонентов 10...40 мкм [60].
Существенным недостатком принятой за основу термитной смеси является разброс частиц компонентов во время экзотермической реакции. В результате реагирует лишь половина смеси и не образуется единого целого слитка металла. Поэтому было решено опробовать уплотнение термитной шихты, как способа устранения этого недостатка.
Известны два способа уплотнения экзотермических смесей: брикетирование под давлением [3; 44; 69...71; 82; 94; 113] и посредством связующего вещества [12; 18; 26; 29; 34; 35; 39; 56; 63; 77; 81; 83; 85; 92; 100; 101; 108]. Оба эти способа было решено опробовать применительно к термитной смеси для заварки малых дефектов.
Из экзотермической смеси порцией 0,2 кг был изготовлен цилиндрический брикет диаметром 0,06 м и высотой 0,1 м, который прессовали в форме при усилии 100 кгс. Такое усилие прессования выбрано как минимальное, при котором образец держал форму и не разрушался. Усилие прессования выше 100 кгс применять не имело смысла. Чем выше усилие, тем плотнее частицы термитной смеси прилегают друг к другу и тем меньше воздушная прослойка между ними. А во время экзотермической реакции, помимо кислорода оксида железа активно используется кислород воздуха [71]. Известно также, что кислорода оксида железа может быть не достаточно для стабильного протекания экзотермической реакции. Поэтому применяют меры по обогащению термитной шихты кислородом путём дополнительного доступа кислорода из атмосферы или из других компонентов шихты [71; 79; 121]. В нашем случае в изготовленном брикете основными поставщиками кислорода служат окалина, и воздушная прослойка между частицами термитной смеси. Кислород из воздушной прослойки окисляет алюминий, что даёт дополнительное количество тепла, достаточное для поддержания и развития начинающейся экзотермической реакции. Поэтому прессование брикета смеси с усилием выше 100 кгс может создавать трудности для стабильного протекания экзотермической реакции.
Определение условий качественного сплавления наплавленного металла с основным
Для проверки достоверности полученных данных было решено повторить предыдущий эксперимент при температуре предварительного подогрева 800...900С. Были наплавлены 10 образцов с имитаторами дефектов. В результате были получены 6 образцов с полным сплавлением наплавленного металла с основным, практически не имеющих пор (рис. 17) и 4 образца с непроваром в нижней части дефекта (рис. 18). Длина не проваренного участка составляла 5... 10 % от длины линии сплавления в сечении образца. Наплавленные образцы разрезали на эрозионном станке. Полный разрез некачественных образцов сделать не удалось, так как режущий инстру 83 мент не проходил через шлак, заполнявший пустоты в зоне непровара. Поэтому образцы с непроваром имели в этой зоне продольный излом.
Таким образом, можно считать, что разработанная технологическая схема процесса наплавки малых дефектов стальных деталей посредством экзотермической смеси позволяет получать качественное соединение наплавленного металла с основным. Однако существенным недостатком экзотермической наплавки по разработанной технологии остаётся высокая вероятность образования пор в наплавленном металле и непровара в виде зашлакованных пустот в средней части зоны сплавления (рис. 20). основного металла с наплавленным имеет ширину 1,5...2,5 мм и грубую ферритно-перлитную структуру (рис. 39).
В результате исследований наплавленных образцов было замечено, что не проваренный и зашлакованный участок во всех случаях находится против отверстия в крышке формы, которое служит для зажигания термитной смеси газопламенной горелкой. Поэтому было сделано предположение, что непровар в средней части наплавки является следствием неравномерности динамического воздействия на зону наплавки газов, образующихся в процессе экзотермической реакции. Поток этих газов с частицами шлака и металла устремляется вверх. Часть потока, ударяясь о поверхность крышки, отражается и оказывает соответствующее давление на зону наплавки, а часть потока, находящаяся в пределах площади отверстия в крышке, не находя препятствий, выбрасывается наружу. С учётом конфигурации внутренней поверхности крышки формы, считая силу потока газов одинаковой по всей площади реагирующей шихты, можно предположить, что минимальное давление будет иметь место в центральной зоне этой поверхности (рис. 19). Так как максимальное давление на зону наплавки будет прилагаться на периферии дефекта, то естественно предположить, что дефект заливается металлом от краёв к центру. Тогда в центре наплавляемого участка возникнет холодная зона. Поскольку наплавляемый металл, соприкасаясь с относительно холодным металлом детали, затвердевает быстро, то в центре дефекта возникнет непровар.
Образованию непровара может способствовать недостаточная теплоизоляция зоны наплавки. Кристаллизация наплавляемого металла происходит по мере заполнения дефекта жидким металлом, то есть от дна дефекта к поверхности. Поэтому зона корня наплавки нуждается в дополнительной теплоизоляции или в дополнительном сопутствующем подогреве в процессе наплавки. Дополнительную теплоизоляцию при небольшой толщине стенки и несложной конфигурации наплавляемой детали можно осуществить с помощью подложки из материала с низкой теплопроводностью [27; 114]. Такая подложка может быть выполнена, например, из шамотного кирпича. Сопутствующий подогрев применить сложно, поскольку находиться на расстоянии 2,0.. .3,0 м от реагирующей термитной смеси опасно.
Третьей причиной образования непровара может быть образование окалины на внутренней поверхности дефекта в процессе предварительного подогрева зоны дефекта, так как нагрев ведётся до температуры 800...900С. Термитный металл, заливаясь от периферии дефекта к центру, в центральной зоне дна полости дефекта не успевает расплавить или растворить окалину, которая препятствует сплавлению наплавляемого металла с основным - возникает непровар.
Очевидно, что все эти причины оказывают одновременное влияние на формирование металла наплавки. Однако в качестве основной причины образования непровара было принято неравномерное распределение давления газов на поверхность реагирующей шихты.
Было сделано предположение, что если считать основной причиной неравномерности давления газов влияние отверстия в центре крышки, то ликвидация этого отверстия сделает давление газов более равномерным и уменьшит вероятность непровара в центральной части наплавки. Однако отверстие в крышке необходимо для зажигания термитной смеси. Возникло противоречие: отверстия в центре крышки формы не должно быть, чтобы устранить непровар в центральной зоне наплавки, и отверстие должно быть, чтобы зажечь термитную смесь.
Для устранения этого противоречия решили полностью заполнять термитной смесью форму и полость крышки. Предположили, что в этом случае динамическое воздействие отражённых от крышки формы образующихся при реакции газов будет более равномерным, так как отверстие в крышке будет полностью заблокировано термитной шихтой, которая после экзотермической реакции превратится в пористый шлаковый каркас (Рис. 27).
Форму в этом случае изготавливали за одно целое с крышкой в виде стакана с овальным дном. Заполняли эту форму термитной смесью с открытого торца стакана. Было изготовлено 10 таких форм. Масса шихты в экспериментальных формах составляла 0,2 кг. Состав шихты и способ приготовления форм с шихтой принимали в соответствие с результатами исследований, описанных в главе 2. Затем с помощью заполненных шихтой форм произвели заварку имитаторов дефектов, которые выплавляли кислородно-ацетиленовым резаком в цилиндрическом образце из стали 45 диаметром 120 мм и толщиной 50 мм (рис. 20). Имитатор дефекта на поверхности образца представлял собой лунку примерным диаметром 40...50 мм глубиной 15...20 мм. Перед наплавкой поверхность образца с имитатором дефекта устанавливали на шамотный кирпич и подогревали газовым пламенем до температуры 850...900С (рис. 21).
Опытно-промышленное опробование разработанного технологического процесса
Опытно-промышленное опробование предложенного на основании результатов исследований технологического процесса заварки малых дефектов литья было произведено в ремонтно-литейном цехе металлургического производства АО АвтоВАЗ.
Для обработки было представлено кольцо диаметром 1010 мм, шириной 200 мм и толщиной 80 мм, отлитое из сплава Х19Н36БЛ (заводской чертёж № 485714200434005). На наружной поверхности кольца имелась усадочная раковина диаметром 50 мм и глубиной 30 мм. Форма полости этой раковины была близкой к конической. Объём полости дефекта составлял 2-Ю"5 м3.
Поскольку контур дефекта на поверхности детали был близок к окружности, форму для термитной шихты решено было делать цилиндрической. Внутренний диаметр формы был принят равным 0,05м. Высота формы, рассчитанная по формуле (14), предложенной в разделе 4.1., составила 0,054 м. Толщину стенки формы принимали равной 0,015 м. Форму изготавливали из формовочной земли, состав которой приведён в разделе 2.2.
Для заполнения формы потребовалось 0,244 кг термитной шихты, которая состояла из 30 % алюминиевого порошка АПВ-4 (0,0733 кг) и 70 % окалины после дробемётной обработки стальных деталей, пошедших термообработку (0,1707 кг). Компоненты шихты размалывали до грануляции 40 мкм и смешивали во вращающемся барабане в течение 15 минут. Затем в смесь порошков компонентов добавили жидкое натриевое стекло плотностью 4,5 10" кг/м в количестве, составляющем примерно 13 % сверх массы смеси порошков компонентов, принятой за 100 %. Полученную шихту размешивали до однородной консистенции, закладывали в приготовленную форму и сушили в сушильном шкафу при 200С в течение двух часов.
Обрабатываемую отливку устанавливали на чугунную плиту, располагая завариваемую усадочную раковину вверху. Внутреннюю полость дефекта очищали стальной кистью от остатков шлака. Полую форму, аналогичную подготовленной для наплавки, устанавливали на дефект так, чтобы контур дефекта совпадал с внутренним контуром торца формы. Затем очерчивали внешний контур формы на поверхно 142 сти обрабатываемой детали термокарандашом, предназначенным для контроля температуры 900С. Форму после разметки убирали и подогревали зону дефекта пламенем кислородно-ацетиленовой горелки до изменения цвета линии разметки.
После окончания подогрева в рамки очерченного контура устанавливали форму, заполненную термитной шихтой. Через отверстие в крышке формы диаметром 5 мм пламенем кислородно-ацетиленовой горелки поджигали шихту. Экзотермическая реакция горения шихты происходила в течение 20 с. Характер горения был таким же, как и в процессе завершающих технологические исследования экспериментов (рис. 24, 25, 26).
После окончания экзотермической реакции форму оставили на обрабатываемой детали до остывания зоны заварки дефекта в течение 3 часов. Потом форму убирали, сбивали шлак и обрабатывали поверхность наплавленного металла, фрезеруя усиление заподлицо с основным металлом.
Согласно СТП АО АвтоВАЗ [104] механические свойства стальных отливок, в частности из сплава Х19Н36БЛ, не нормируются. Поэтому производили визуальный контроль качества наплавки, выполненной при устранении дефекта. Проверяли наличие дефектов в наплавленном металле после его механической обработки. На обработанной поверхности наплавленного металла раковин, крупных пор, подрезов и других поверхностных дефектов обнаружено не было. Наблюдались отдельные мелкие поры диаметром менее 0,2 мм в количе-стве не превышающем 4 поры на 1 см .
Службой контроля качества ремонтно-литейного цеха кольцо с выполненной заваркой дефекта было признано годным к эксплуатации. Заваренная отливка была принята в производство для использования по назначению на термических печах.
По результатам опытно-промышленного опробования был сделан вывод о том, что предложенный технологический процесс заварки дефектов литья применим в литейном производстве (см. приложение). В металлургическом производстве АвтоВАЗа разработан план мероприятий по освоению экзотермической заварки дефектов литья при серийном изготовлении отливок.
1. Форма для размещения шихты, выполненная в виде стакана с овальным днищем, совмещает преимущества основных способов экзотермической наплавки: литьём, плавлением и термитными карандашами, и свободна от их недостатков.
2. Предложенная методика и расчётная формула для определения размеров формы, заполняемой термитной шихтой, обеспечивает возможность качественной заварки малых дефектов стального литья.
3. Разработанный типовой технологический процесс обеспечи вает качественную заварку на поверхности стальных литых деталей дефектов объёмом (10...25) 10 м и может быть применён как в ли тейных цехах промышленных предприятий, так и в полевых и мон тажных условиях, что расширяет технологические возможности про цесса экзотермической наплавки. Производительность процесса за варки дефекта по сравнению с ручной дуговой наплавкой может быть увеличена, а затраты на вспомогательные материалы и электроэнер гию уменьшены.
