Прогрессивные технологии восстановления и упрочнения деталей машин

1.3.Требования к методам восстановления и упрочнения

Работоспособность деталей, восстановленных наплавкой, определяется химическим составом и структурой наплавленного слоя, его твердостью, износостойкостью, ударной вязкостью и усталостной прочностью. Наплавленный металл по химическому составу и строению отличается от состава электродного металла и детали. Жидкий металл, взаимодействуя в ходе наплавки с расплавленным шлаком, водяными парами и окружающим воздухом, окисляется и насыщается азотом, водородом и другими элементами. Повышенное содержание кислорода и азота в наплавленном металле придает ему твердость и хрупкость, способствует образованию трещин и пор, ухудшает структуру материала. Это накладывает жесткие требования на подбор химического состава наплавочного материала, рационального способа и режима восстановления и упрочнения. Правильный выбор данных параметров позволяет управлять структурой покрытия, а значит, его твердостью и износостойкостью. В ходе наплавки в детали возникают внутренние напряжения вследствие изменения температурного и объемного состояния и отсутствия свободного перемещения нагреваемых участков. Эффективным средством для создания в металлопокрытиях напряжений сжатия является пластическая деформация поверхностей слоев.

В процессе восстановления и упрочнения детали на ее поверхности образуется слой металла с измененной структурой, фазовым составом, физи- ко-химическими и механическими свойствами по сравнению с основным металлом. Этот слой, называемый поверхностным, оказывает существенное влияние на надежность и долговечность работы детали, определяя ее физикохимические и эксплуатационные свойства (рис. 1.18).

Подводя итог вышеизложенному, можно сформулировать требования к «идеальному» процессу восстановления и упрочнения деталей; конструированию оборудования на модульной основе (рис. 1.19):

•процесс должен быть высокопроизводительным, с экономным расходованием энергии и материалов, гигиеничным и безопасным;

•используемое технологическое оборудование должно быть универсальным, простым в изготовлении и эксплуатации, легко автоматизироваться;

•основное время обработки должно быть минимальным, чтобы структура наносимого сплава не претерпевала нежелательных изменений, а основной металл не подвергался оплавлению;

30

•между основным металлом и нанесенным слоем покрытия должно существовать надежное и прочное соединение;

•в восстановленных деталях должны отсутствовать значительные термические напряжения, поры, трещины и т. п.;

•для надежного устранения макродефектов процесс должен обеспечивать возможность одновременного и последовательного внешнего механического воздействия, например, поверхностного пластического деформирования.

31

32

При ЭМН полюсный наконечник, обрабатываемая заготовка и цепочка зерен порошка приобретают магнитную и электрическую полярность. Плавление цепочек-электродов (порошка), контактирующих с обрабатываемой поверхностью, в рабочей зоне происходит дискретно за счет возникновения кратковременного электрического разряда на каждом из них. Возникновение и протекание дугового разряда определяется воздействием электрических, магнитных, химических и других факторов. Дуга горит в месте наименьшего расстояния между обрабатываемой заготовкой и наконечником при минимальном сопротивлении и падении напряжения. Скорость возникновения дугового разряда и время его существования оказывают влияние на производительность процесса ЭМН, глубину зоны термического влияния и равномерность распределения капель расплава металла по обрабатываемой поверхности. Частота возникновения импульсов зависит от силы разрядного тока, напряжения, зернистости порошка, скорости вращения заготовки, состава окружающей среды и других факторов.

В рабочей зоне может происходить один или несколько дуговых разрядов одновременно. При постоянном токе процесс ЭМН осуществляется в импульсном режиме. Длительность и частота возникновения импульсов непостоянны. Форма импульсов трапецеидальная (рис. 2.1, а), возникновение импульса на одной из цепочек по времени никогда не совпадает с моментом возникновения импульсов на других. В большинстве случаев возникающий импульс подавляет течение дуговых разрядов на соседних цепочкахэлектродах. При одновременном возникновении нескольких импульсов их амплитуды меньше амплитуды тока одиночного импульса. В паузах между дуговыми разрядами сила разрядного тока вначале падает до минимального значения /т,„, а затем снова нарастает (рис. 2.1). Повторный импульс может произойти в системе без замыкания, путем ионизации газов в рабочей зоне действием дугового разряда на соседней цепочке.

Процесс плавления цепочек-электродов для многоэлектродной системы не отличается от плавления одиночной цепочки. Однако поведение многоэлектродной системы в этих условиях имеет некоторые особенности. Система может быть настроена таким образом, что в рабочей зоне будет преобладать одиночное пульсирующее горение цепочек-электродов (рис. 2.1, б). В этом

34

случае процесс ЭМН идет неустойчиво, формирование поверхностного слоя нестабильно, расход электроэнергии минимальный, производительность невысокая. Когда же в рабочей зоне преобладает групповое перекрываемое горение цепочек-электродов (рис. 2.1, в), процесс идет устойчиво, обеспечивается его стабильность и формирование покрытия.

б

Рис. 2.1. Осциллограмма процесса электромагнитной наплавки:

35

На рис. 2.2 показана зависимость частоты импульсов разрядного тока от расхода порошка, магнитной индукции в рабочей зоне и плотности разрядного тока. Видно, что только одна зависимость для плотности разрядного тока носит экстремальный характер.

у, им/с

36

Нагрев и плавление порошка повышается благодаря взаимному влиянию дуговых разрядов в многоэлектродной системе. Равномерность тепловложения в заготовку обеспечивает импульсное течение процесса ЭМН, при этом в рабочей зоне поддерживается высокий тепловой градиент. При малой силе разрядного тока (I < 80 А) и большом расходе порошка (g > 2,6 г/(с-мм2)) в рабочей зоне энергии электрического поля недостаточно для возбуждения дугового разряда. В этом случае процесс перестает носить импульсный характер (осциллограмма силы разрядного тока представляет прямую линию), так как выделяемой теплоты недостаточно для расплавления порошка и основы. Происходит спекание порошкового материала, отсутствует адгезия между материалом матрицы и покрытием, которое разрушается при незначительном внешнем воздействии.

2.2.Магнитное поле и его роль при электромагнитной наплавке

2.2.1.Силы, действующие на единичное зерно порошка. На каждое зерно ферромагнитного порошка, находящееся в рабочей зоне, действуют магнитные, электромагнитные и механические силы. Состав этих сил определяется характером внешнего магнитного поля, магнитными и электропроводными свойствами материала порошка, формой и размерами зерен, свойствами применяемой рабочей жидкости. В общем случае на единичное зерно порошка в рабочей зоне при отсутствии импульсов электрического тока действует результирующая сила

где FM — сила, вызванная магнитным взаимодействием токов материала зерна с внешним полем; FMl — сила, вызванная стремлением зерна сориентироваться вдоль силовых линий магнитного поля; РЭ1Л — сила электромагнитного взаимодействия индукционных токов зерна с внешним полем; F3Mi — сила электромагнитного взаимодействия индукционных токов зерна, движущегося в рабочей зоне; FT — сила тяжести; FHH — сила инерции, возникающая при соприкосновении зерна с движущейся обрабатываемой поверхностью; Рия — сила механического давления; F.ф — сила трения в порошковой среде.

37

Силы механического давления F m и F действующие на отдельное зерно со стороны порошковой среды, могут быть определены только при расчете взаимодействий зерна с порошковой средой в рабочем зазоре. Пренебрегая силами малой величины, ограничимся рассмотрением только сил маг-

где ц0 — магнитная постоянная, ц0 = 4тг1(Г7 Гн/м; В — вектор магнитной индукции, действующий на элементарной поверхности ds ферромагнитного тела; п — единичная нормаль к площадке ds.

Приняв допущение о симметричной форме зерен порошка, изотропности магнитных свойств материала зерна и его высокой магнитной проницаемости, зависимость (2.1) можно привести к виду

Следовательно, магнитная сила FM определяется размерами зерна, интенсивностью магнитного поля и его неоднородностью в рассматриваемой точке рабочей зоны.

С помощью формулы (2.2) можно проанализировать поведение зерен порошка в рабочей зоне. Магнитное поле рабочей зоны, ограниченное эквидистантными поверхностями полюсного наконечника и обрабатываемой заготовки, неоднородно (рис. 2.3, а). Градиенты магнитной индукции gradB могут быть разделены на радиальную gradB0 и тангенциальную gradBt составляющие. Если в рабочую зону поместить ферромагнитные частицы, то силами FHp они будут притягиваться к полюсному наконечнику, а силами Fm — втягиваться в рабочую зону. Магнитные силы F и Fm позволяют рассмотреть

38

поведение отдельного зерна при сообщении движения заготовке. Зерно порошка, находящееся в средней части рабочей зоны, будучи прижатым к заготовке, двигается вместе с ней под действием силы трения F . Остановленное силой Fm, зерно притягивается к полюсному наконечнику силой FMp. Некоторые зерна, помещенные в среднюю часть рабочей зоны, стремятся выстроиться в цепочку вдоль силовых линий магнитного поля (рис. 2.3, б). При вращении заготовки цепочка движется вместе с обрабатываемой поверхностью, пока не достигнет границы рабочей зоны. Затем цепочка начинает совершать колебательные движения под действием сил трения F1V с обрабатываемой поверхностью и сил F m , стремящихся вернуть цепочку внутрь рабочей зоны. Если увеличить число цепочек, то они проделывают тот же путь, уплотняясь у выхода из рабочей зоны и препятствуя друг другу совершать колебательные движения.

разрядного тока при электромагнитной наплавке (1 — заготовка; 2 — зерно ферропорошка; 3 — полюсный наконечник).

39