Лазерный способ восстановления[10]

9. Лазерный способ восстановления[10].

Этот способ не может быть рекомендован к использованию на данном этапе в силу высокой стоимости оборудования и высокой требовательности к обслуживающему персоналу и культуре производства.

10. Наплавка под легирующим флюсом по оболочке [3].

Этот способ восстановления чугунных коленчатых валов разработан в НИИАТе и позволяет получить наплавленный металл без пор и трещин при более высокой, по сравнению с другими способами, усталостной прочности восстановленных чугунных коленчатых валов. Достоинством этого способа является отсутствие пор и трещин, высокие прочностные характеристики и простое, доступное по цене, оборудование.

Сущность способа восстановления чугунного коленчатого вала с применением защитных металлических оболочек:

Сущность способа заключается в следующем. Деталь обвертывают, металлической оболочкой из листовой стали, плотно прижимают оболочку к поверхности детали с помощью специального приспособления и сваркой в среде углекислого газа прихватывают ее в стыке. После удаления приспособ­ления производят автоматическую наплавку детали под флюсом по металли­ческой оболочке непосредственно.

Схема наплавки под флюсом по оболочке.

Рис. 1.6

Известно [12], что для устранения трещин в наплавленном металле необходимо уменьшить в нем содержание углерода, кремния, марганца, серы и фосфора. Поскольку высокопрочный чугун содержит значительное количе­ство этих элементов, при экспериментах применяли оболочку из стали 08 и проволоку Св-08, содержащие их в небольшом количестве.

При наплавке под флюсами АН-348А, ОСЦ-45, АН-15, АН-20 лучшее формирование слоя и меньшее количество дефектов получилось при исполь­зовании флюса АН-348А. С увеличением толщины [3] оболочки глубина проплавления высокопрочного чугуна уменьшается (Рис.1.6), соответственно уменьшается поступление в наплавленный металл углерода, кремния, мар­ганца и других элементов. Поэтому для получения наплавленного металла мартенситной структуры с твердостью HRC 56-62 во флюс добавляли графит и феррохром, обеспечивая содержание в наплавленном металле углерода 0,6-0,8% и требуемое количество хрома.

При толщине оболочки 0,8 мм трещины и поры в наплавленном ме­талле отсутствовали, в то время как при обычных способах наплавки высо­копрочного чугуна при содержании углерода 0,6-0,8% трещин и пор избе­жать не удается.

Зависимость глубины проплавления основного металла

от тол­щины оболочки.

Рис. 1.7

Роль оболочки в устранении пор и трещин.

С увеличением толщины оболочки уменьшается глубина проплавле­ния чу­гуна и соответственно количество образующейся окиси углерода, вы­зываю­щей образование пор. При толщине оболочки 0,8 мм и более неболь­шое ко­личество окиси углерода успевает выделиться из расплавленного ме­талла и пор в нем не наблюдается. Устранению трещин при наплавке по обо­лочке способствует два фактора: уменьшение поступления в наплавленный слой кремния, марганца, магния и уменьшение величины и скорости нарас­тания растягивающих напряжений в наплавленном валике в период его кри­сталли­зации благодаря уменьшению сил сопротивления усадок валика за счет пе­ремещения или пластической деформации оболочки. Доказано [13], что обра­зование горячих трещин происходит в период нахождения расплава в твердожидком состоянии при определенной величине и скорости нараста­ния внут­ренних напряжений.

Схема сил, препятствующих усадке наплавленного валика.

Рис. 1.8

Процесс усадки наплавленного металла происходит следующим обра­зом. При наплавке часть металла, Т.Ж (Рис. 1.8), находится в твердожидком состоянии и при усадке уменьшается в радиальном А, тангенциальном Б и осевом направлениях. Усадке валика в радиальном направлении А чугун не препятствует. Усадке в тангенциальном направлении Б препятствует ранее наплавленный валик по контуру аб, чугун по контуру бвг и оболочка по контуру гд. При наплавке по винтовой линии в наплавленном металле в ос­новном возникают кольцевые трещины, поэтому рассматриваем процесс усадки валика в осевом направлении В. Сопротивление усадке валика в осе­вом направлении по контуру зи незначительно, поскольку разница в темпе­ратуре на границе твердожидкого и твердого металла невелика и их усадка происходит почти одновременно. Поэтому усадке валика в направлении В препятствует только чугун по контуры вг и оболочка по контуру гд.

При усадке валика в начале происходит упругая деформация обо­лочки и чугуна. Поскольку чугун почти не обладает упругими свойствами [1], скорость нарастания растягивающих напряжений со стороны оболочки в несколько раз меньше, чем со стороны чугуна. После достижения предела текучести, происходит пластическая деформация оболочки и чугуна, поэтому внутренние напряжения в них не превзойдут предела текучести т.е.

, (1.1)

, (1.2)

где , - напряжения в оболочке и чугуне;

, - пределы текучести оболочки и чугуна.

Остальные напряжения в валике будут равны отношению суммы уси­лий сопротивления усадке со стороны чугуна и оболочки к площади попе­речного сечения валика.

Для случая с закрепленной оболочкой, напряжения в валике можно выразить уравнением:

, (1.3)

где Н - высота валика, мм;

- глубина проплавления чугуна при наплавке без оболочки, мм;

- толщина оболочки, мм;

R – коэффициент, учитывающий разность теплофизических свойств чу­гуна и оболочки;

Таким образом, для уменьшения внутренних напряжений в наплав­ленном слое металла и для предупреждения образования трещин в нем, не­обходимо применять оболочки с низким пределом текучести и высокой пла­стичностью. Такими свойствами обладает малоуглеродистая сталь. При на­плавке по оболочке толщиной 0,8-0,9 мм глубина проплавления чугуна уменьшается с 2,4 мм до 1,0 мм [3]. Соответственно величина остаточных напряжений уменьшается примерно в 2,4 раза.

Мартенситную структуру наплавленного металла можно получить пу­тем: термообработки, охлаждением слоя жидкостью в процессе наплавки либо путем введения в наплавленный металл легирующих элементов, через флюс [14] или проволоку. Сущность последнего способа заключается в сле­дующем. С увеличением содержания углерода в стали, твердость образую­щего мартенсита увеличивается и достигает HRC 60-62 при 0,6-0,8% угле­рода [12]. Углерод одновременно снижает точки начала и конца мартенсит­ных превращений в область отрицательных температур. Поэтому при увели­чении его содержания более 0,8% твердость наплавленного металла снижа­ется за счет увеличения в нем остаточного аустенита. С увеличение содержа­ния легирующих элементов, хрома или марганца, в наплавленном слое кри­вые превращения сдвигаются вправо, что приводит к уменьшению критиче­ской скорости закалки при охлаждении детали на воздухе. Стойкость образо­ванного мартенсита против отпуска увеличивается, поэтому при недостаточ­ном количестве легирующих элементов может произойти отпуск ранее на­плавленных валиков (швов) вследствие значительного нагрева слоя в про­цессе наплавки. Точки начала и конца мартенситных превращений снижа­ются в область отрицательных температур, поэтому чрезмерное увеличение легирующих элементов приводит к увеличению количества остаточного ау­стенита в наплавленном металле и снижению твердости последнего. Стой­кость аустенита в зоне мартенситных превращений повышается, поэтому при охлаждении наплавленного металла для превращения аустенита в мартенсит требуется больше времени. При наплавке это явление способствует увеличе­нию количества остаточного аустенита и снижению твердости наплавленного металла.

В соответствии с выше изложенным для получения наплавленного металла мартенситной структуры с твердостью порядка HRC 60-62 в нем должно содержаться 0,6-0,8% углерода и определенное количество леги­рующих элементов, зависящее от термического цикла наплавленного слоя. В нашем случае целесообразно применять хром. Некоторые другие легирую­щие элементы, например марганец, способствуют образованию трещин в на­плавленном слое.

Опыты по получению металла с мартенситной структурой проводи­лись в следующем порядке [3]. Сначала к флюсу примешивали графит с це­лью получения в наплавленном металле 0,6-0,8% углерода, затем к тому же флюсу с найденным количеством графита примешивали феррохром для по­лучения мартенситной структуры при охлаждении наплавленного металла на воздухе.

Углерод и легирующие элементы в наплавленный металл можно вво­дить также применением порошковой проволокой, легирующего или кера­мического флюса, легированной проволоки и легированной оболочки.

По результатам опытов в табл. 1.3 представлены данные эксперимен­тальных наплавок коленчатых валов двигателей ЗМЗ-53А.

Как видно из табл. 1.3, наиболее высокая твердость металла со струк­турой мартенсита получается при наплавке под легирующим флюсом, со­держащим 4% графита и 3,5% феррохрома. При этом наплавленный металл содержит 0,8% углерода, 1,8% хрома, 1,79% марганца, 0,65% кремния и в не­значительном количестве другие элементы.

Эксплуатационные испытания на износостойкость проводились сле­дующим образом [3]. Испытывали чугунные коленчатые валы двигателя ЗМЗ-53А, у которых по две шатунных и по две коренных шейки были на­плавлены под легирующим флюсом по оболочке. Часть шеек наплавляли под легирующим флюсом с меньшим количеством феррохрома, в результате они имели твердость HRC 50-60, остальные шейки имели твердость HRC 50-62. Наличие шеек с таким диапазоном твердости позволило определить зависимость между твердостью и износостойкостью наплавленного металла относительно высокопрочного чугуна. Чугунные коленчатые валы обрабатывались в соответствие с механическими требованиями завода и устанавливали на капитально отремонтированные двигатели.

Двигатели эксплуатировали в обычных условиях без разборки до появления технических неисправностей, после чего их снимали с автомобилей, разбирали и замеряли диаметры и толщины вкладышей.

В табл. 1.4 приведены данные по относительному износу наплавленных шеек по девяти коленчатым валам со сроком службы, соответствующим пробегу автомобиля 50-70 тыс. км.

Из табл. 1.4 видно, что наплавленные шейки с твердостью более HRC 56 изнашиваются меньше, а с твердостью менее HRC 56 изнашиваются больше не наплавленных чугунных шеек. Поскольку при оптимальном составе легирующего флюса твердость наплавленного металла колеблется в пределах HRC 56-62, износостойкость восстановленных чугунных коленчатых валов получается не ниже новых.

Данные по износостойкости вкладышей с шейками тех же валов, см. табл. 1.4, приведены в табл. 1.5.

Как видно из табл. 1.5, износ вкладышей, сопряженных с наплавленными шейками, меньше, чем с не наплавленными.

Испытанию на статическую прочность подвергали новые коленчатые валы и восстановленные наплавкой. Результаты приведены в табл. 1.6.

Как видно из табл. 1.6, при всех способах наплавки происходит снижение прочности восстановленных чугунных коленчатых валов.

Испытанию на усталостную прочность проводились не машине УП-50 конструкции ЦНИИТМАШ на натуральных образцах. Машина УП-50 предназначена для возбуждения и поддержания, заданных по величине переменных изгибающих напряжений. Результаты испытаний на усталостную прочность приведены в табл. 1.7.

Как видно из табл. 1.7, усталостная прочность при любом способе наплавки снижается. Наименьшее снижение усталостной прочности 10-15% происходит при наплавке под легирующим флюсом по оболочке. Наибольшее снижение усталостной прочности при наплавке в углекислом газе подтвердилось поломкой экспериментального чугунного коленчатого вала в эксплуатации.