Покрытие (наплавка) поверхностей трения износостойкости материалами – твердыми сплавами.

Многие быстроизнашивающиеся детали оборудования имеют большой вес, хотя в работе участвует только их тонкий наружный слой, вес которого часто не превышает 10—15 % общего веса. Такие детали экономически целесообразно восстанавливать наплавкой изношенных поверхностей электродами и сплавами с по­вышенной твердостью.

Специальные электроды марок ОЗН-250, ОЗН-300, ОЗН-350, ОЗН-400 и У-340 (табл.26)применяются для получения наплав­ки средней твердости деталей из углеродистых и среднелегированных сталей (цифровые индексы показывают среднюю твердость третьего слоя наплавки по Бринеллю).

Табл.26. Электроды для наплавки средней твердости

Заданная твердость наплавки достигается введением в наплав­ленный металл через покрытие одного или нескольких легирую­щих элементов (Mn, Cr, Si и др.). Это способствует образованию закалочных структур и упрочнению феррита. Покрытие наносит­ся на обычную сварочную проволоку. Углерод в таких электродах не является ведущим легирующим элементом. В зависимости от марки электрода содержание углерода в наплавленном металле колеблется в пределах 0,12—0,3 %.

Попытки использовать углерод как основной ведущий легиру­ющий элемент (увеличение содержания его в наплавке более 0,3 %) приводили к образованию трещин и пор в наплавленном металле.

Следует отметить, что углеродистые стали с С = 0,3—0,7 % склонны к образованию закалочных структур, снижающих проч­ность стали, и образованию трещин при обычных методах свар­ки, применяемых для малоуглеродистых сталей.

Опыт применения электродов ОЗН и У-340 свидетельствует о высоком качестве электродов со шлакообразующим покрытием основного типа (мрамор, плавиковый шпат) и с марганцем, вве­денным в качестве ведущего легирующего элемента. Основное преимущество указанных электродов заключается в меньшей склонности к образованию трещин.

Износостойкость закаленного металла, наплавленного элект­родом ОЗН-300, в 1,5 раза выше, чем закаленной стали марки 40Х. Электроды ОЗН-300 и ОЗН-250 следует рекомендовать для на­плавки закаленных деталей из среднеуглеродистых сталей марок 40 и 45, из хромистых сталей марок 30Х, 35Х, 40Х и др. Эти элек­троды применимы для наплавки деталей из малоуглеродистых сталей и сталей марок 35 и 40.

Металл, наплавленный электродами ОЗН-250, хорошо обраба­тывается режущими инструментами. Твердость металла, наплав­ленного электродом ОЗН-300 и др., может быть снижена отжигом при 850° и охлаждением вместе с печью.

При закалке наплавленный металл достигает твердости НВ 400—460.

Электродами Т-540, Т-590 и Т-620 (см. табл. 26)для получе­ния высокой твердости наплавляют детали, изготовленные из це­ментируемых и закаливаемых сталей, а также детали рабочих ор­ганов дорожных машин.

Высокая твердость металла, наплавленного этими электрода­ми, получается в результате введения в состав покрытия легирую­щих элементов: феррохрома, ферротитана, ферробора, карбида, бора и графита.

Ввиду отсутствия первичных карбидов и сравнительно невы­сокой степени легирования аустенита хромом и титаном металл, наплавленный электродом Т-540, снижает твердость при отжиге и допускает механическую обработку резанием. Твердость металла, наплавленного электродами Т-540, непосредственно после на­плавки равна 35—45 HRC; после отжига при 900—950° она сни­жается до 24—28 HRC, а после закалки при той же температуре и отпуске при 200—250° составляет 57—60 HRC. Этим электродом можно наплавлять изношенные зубья шестерен.

Металл, наплавленный электродами Т-590 и Т-620, характери­зуется повышенной хрупкостью и склонностью к образованию трещин, поэтому при большом износе рекомендуется наплавлять только верхние рабочие слои. Нижние слои наплавляют более мягкими электродами. Рекомендуемые средние значения электри­ческого тока: для диаметра электрода 4 мм — 200—20 а, для диа­метра 5 мм — 250—270 а.

Указанными электродами можно наплавлять щеки и валки камнедробилок, зубья ковшов экскаваторов и др.

Стойкость щек камнедробилок увеличивается после наплавки электродом Т-590 в 2 раза.

Железо-хромистые электроды— литые твердые сплавы (стел­литы) типа сормайта и порошкообразного сплава — сталинита (табл.27).Применяя сормайт, получают хорошие результаты при наплавке небольших изношенных поверхностей цементован­ных и закаленных деталей.

Табл.27. Железо-хромистые электроды

Наплавка сормайтом производится газовой или электродуго­вой сваркой. Сормайт изготавливается прутками диаметром 5, 6 и 7 мм. При наплавке применяются электроды марок ЦС-1 и ЦС-2. Поверхность, наплавленная электродом ЦС-1 без термической обработки, имеет твердость 48—54 HRC, а электродом ЦС-2— 39—45 HRC. Эти электроды различаются между собой тем, что слой, наплавленный электродом ЦС-1, не воспринимает последу­ющей термической обработки, а слой, наплавленный электродом ЦС-2, принимает закалку, после которой твердость наплавки по­вышается до 56—60 HRC. Этими электродами производят на­плавку постоянным и переменным током при короткой дуге. При постоянном токе применяют обратную полярность и толщину наплавленного слоя не более 2,5—4,0 мм с учетом припуска на последующую механическую обработку 1,0—1,5 мм.

Сталинит— порошкообразный сплав, который расплавляет­ся угольным или стальным электродом на постоянном токе при прямой полярности и наносится на деталь слоем 3—4 мм. В каче­стве флюса применяется бура.

Сталинит можно замешивать на жидком стекле и в виде пасты наносить наповерхность детали, расплавляя его т.в.ч.

Вследствие высокого содержания углерода в наплавке охлаждать деталь следует медленно. Несмотря на это, наплавленная поверх­ность имеет значительное количество неглубоких трещин и пор.

Для уменьшения образования трещин применяют наплавку шихты стальным электродом или заменяют порошкообразную шихту 0,65—0,80 мм, наполненную порошкообразной смесью из ферромарганца, сталинита или др. составов.

Вследствие малого электрического сопротивления трубки весь сварочный ток практически идет по ней, и дуга возбуждается меж­ду трубкой и деталью. Трубка расплавляется от непосредственно­го действия электрической дуги, а порошкообразная смесь внутри нее плавится под воздействием излучаемой теплоты дуги.

Температура плавления ферромарганца - около 1 250°, поэто­му порошкообразная смесь в электроде быстро расплавляется. Трубка на конце электрода защищает плавящийся порошок от окислительного действия наружного воздуха, что обеспечивает выгодное использование легирующих элементов. Из порошкооб­разной смеси в наплавку переходят 80—85 % марганца, 90 % угле­рода и 90 % хрома.

Другой, более слабой защитой является электродная наружная обмазка толщиной 0,6—0,8 мм, которая ионизирует электричес­кую дугу.

Глубокий провар, необходимый при сварке, приносит вред при наплавке, так как вызывает лишний расход марганца, хрома и других легирующих элементов. Для достижения прочной связи наплавленного слоя с деталью достаточно иметь глубину провара 0,1—0,2 мм, но такой малый провар получить трудно. Обычно при ручной наплавке трубчатым электродом глубина провара со­ставляет 0,7—1,0 мм.

Наплавку литых деталей из стали марки 13ГЛ(щеки камнедро­билок, бандажи валковых дробилок, била, облицовка шаровых мельниц) производят трубчатыми электродами, изготовленными из стальной ленты толщиной 0,8 мм и наполненными доменным ферро­марганцем. Для наплавки бил молотковых дробилок и деталей дро­билок ударного действия в наполнение этих электродов рекоменду­ется добавлять никель в количестве 6—7 % от веса наполнения.

Трубчатые электроды изготовляют из мягкой стальной ленты марки 10 и 08 с содержанием углерода 0,1 %. Применяют электро­ды двух диаметров: 6,2—6,3 мм из ленты шириной 18 мм и 8,2— 8,4 из ленты шириной 24 мм.

Недостатком высокохромистой наплавки является ее малая ударная вязкость (в 2—3 раза меньшая, чем у марганцовистой наплавки). Нанесение на марганцовистую сталь и чугун высоко­хромистой наплавки является затруднительным.

Хромомарганцовистые покрытия, получаемые наплавкой трубчатыми электродами, наполненными сталинитом, содержат 2,5—3,0 % углерода, 5,5—6,0 % марганца и 5,2—7,0 % хрома. Та­кая наплавка трубчатыми электродами обладает коэффициентом износостойкости 5,5—7,0, прочно удерживается на стали и чугуне и придает высокую износостойкость шнекам, ножам, вальцам и другим деталям, работающим на истирание без ударов или с не­большими ударами. Поэтому в большинстве случаев хромистая наплавка может быть заменена марганцовистой или хромомар-ганцовистой.

Наплавка трубчатыми электродами с ферромарганцем. Рас­смотренные выше электроды для получения твердых наплавок имеют в своем составе такие дефицитные и дорогостоящие состав­ляющие элементы как Cr, Ni, Ti, В.

Лаборатория сварки ВНИИСтройдормаша в качестве основ­ной легирующей составляющей электродов предложила марганец, являющийся дешевым материалом. Твердость сложных (комплек­сных) карбидов железа—марганца в 1,5—2 раза выше твердости кварца, который является одним из самых твердых абразивов, со­прикасающихся с рабочими органами дорожных машин. Твер­дость основы марганцовистой наплавки также высокая, а при на­клепе (нагартовке) становится близкой к твердости кварца. Мар­ганцовистая наплавка прочно удерживается на стали и чугуне и хорошо переносит удары. Эти качества марганцовистых наплавок делают их наиболее пригодными для защиты быстроизнашиваю­щихся деталей дорожных машин.

В результате многочисленных опытов и проверки на производ­стве установлено, что наивыгоднейшим составом марганцовистой наплавки является тот, в котором содержится 1,9—2,3 % углерода и 19—23 % марганца. При этом важно, чтобы карбиды занимали не менее 20 % и не более 35 % от общего объема наплавки.

Содержание углерода в наплавке выгодно увеличивать до оп­ределенного предела; если углерода будет больше 2,3 %, то даже при содержании 20—23 % марганца в наплавке выделяются зерна ледебурита, содержащие 4,2 % углерода, твердость которых равна 800—1000 кГ/мм², в то время как твердость комплексных карби­дов железа—марганца составляет 1200—1600 кГ/мм².

Кроме преимуществ, марганцовистые наплавки имеют и недо­статок: их коэффициент расширения в 2,5 раза больше, чем у ма­лоуглеродистой стали. Поэтому при остывании в наплавке возни­кают трещины, которые даже на щеках камнедробилок не приво­дят к отслоению наплавки и не отражаются на сроке службы дета­ли. В некоторых случаях, например при наплавке полос для лез­вий ножей, эти трещины можно полностью устранить.

Феррохром, так же как и ферромарганец, является сырьем, обес­печивающим износостойкие покрытия. Карбиды хрома обладают высокой твердостью — 1 570 кГУмм² и выше. Твердость основы хро­мистой наплавки — 500—675 кГ/мм²; коэффициент износостойкос­ти хромистой наплавки 6,5—6,8. Следовательно, эта наплавка яв­ляется даже несколько более износостойкой, чем марганцовистая, в тех случаях, когда при работе детали не происходит наклепа, что делает ее пригодной для защиты деталей, работающих без уларов.

Для восстановления щек камнедробилок применяют трубча­тые электроды, наполненные доменным ферромарганцем или до­менным ферромарганцем с никелем. Щеки для дробления извест­няка или других пород малой прочности наплавляют трубчатыми электродами, наполненными сталинитом.

При наплавке щек возможно их коробление (рис.74,а) в ре­зультате большой усадки наплавленного металла. Поэтому следует одновременно производить наплавку 3—4 щек короткими участка­ми, постепенно переходя от одной щеки к другой, чтобы за это вре­мя успевал остыть участок, наплавленный первым (рис. 74 б — цифры на рисунке указывают последовательность наплавки отдель­ных участков при одновременной наплавке трех щек).

Для уменьшения коробления между наплавленными участками ребер следует оставлять незаполненные промежутки, заплавляя их после окончания наплавки и полного остывания щеки, но не все подряд, а согласно цифрам, обозначенным на. рис. 74 б, чтобы щека успевала остывать.

Щеки следует укладывать для наплавки так, чтобы их вес способствовал уменьшению коробления (рис. 74 в). Однако даже при соблюдении всех перечисленных мер предосторожнос­ти все же происходит некоторое коробление, для устранения которого на обратной стороне щеки наплавляют усиливающие ребра (рис. 74 г). Поверхность щек проверяют линейками по ребрам и по диагоналям. Толщина слоя, наплавляемого па дробящие ребра за один про­ход, не должна превышать 6 мм. При наплавке каждого следую­щего слоя следует тщательно удалять шлак.

Форму наплавленных ребер проверяют шаблоном (рис. 74 д). Ребра неправильной формы, подобно ослабленному ребру, быст­ро изнашиваются. Недопустимы впадины, которые должны быть обязательно заплавлены. Необходимо особенно тщательно очи­щать от шлака места, подлежащие наплавке.

Вследствие большой усадки наплавленного слоя в нем образу­ются мелкие трещины, расположенные поперек ребер.

Рис.74. Наплавка щек камнедробилок

Раздел IX

МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСТОСТОЙКОСТИ ДЕТАЛЕЙ ОБОРУДОВАНИЯ

Упрочнение деталей обкатыванием, раскатыванием и дробеструйным наклепом

Обкатывание и раскатывание поверхностей вращения произ­водится для повышения эксплуатационных свойств деталей и за­мены шлифования незакаленных поверхностей после чистового точения. Эта обработка способствует улучшению наваренных по­верхностей.

Обкатывание роликами производится на токарных или ре­вольверных станках, а раскатывание — на токарных, револьвер­ных и радиально-сверлильных станках в специальных приспособ­лениях (рис. 75 и76).

Величина изменения размеров деталей при обкатывании и рас­катывании зависит от металла детали, усилия обкатывания, числа проходов, подачи, диаметра ролика и ширины цилиндрического пояска на ролике. При ширине пояска 3 мм и диаметре ролика 100 мм давление на ролик в зависимости от металла детали при­нимают от 50 до 200 Н при числе проходов от 2 до 4.

После обкатывания высота микронеровностей уменьшается примерно вдвое, т.е. чистота поверхности повышается примерно на один класс.

Рис. 75. Приспособление для обкатывания цилиндрических поверхностей: а — с одним роликом; б — с тремя роликами

Рис. 76. Ролики для обкатывания цилиндрической поверхности

Рис. 77. Эпюра распределения напряжений металла по сечению при изгибе и поверхностном наклепе: 1 — наклепанный слой; 2 — напряжения сжатия от наклепа; 3 — напряжения растяжения по сечению при изгибе; Δδ — снижение максимальных напряжений растяжения

Дробеструйный наклеп применяют для повышения усталост­ной прочности деталей, работающих в условиях переменных на­грузок. В отличие от обкатывания этот способ обработки приме­ним для деталей различной конфигурации.

В результате дробеструйной обработки изменяются физические свойства поверхностного слоя металла. Для мягких металлов твер­дость повышается на 20—40 %, благоприятнее распределяются на­пряжения по сечению детали, в результате чего повышается устало­стная прочность. Эпюра распределения напряжения металла по се­чению при изгибе и поверхностном наклепе показана на рис. 77.

При обработке стальных деталей применяют чугунную и, реже, стальную дробь. Размер дроби должен быть 0,4x2 мм. Мел­кая дробь применяется для обработки мелких деталей, крупная — для крупных. Глубина наклепа не превышает 1 мм.

Дробеструйный наклеп деталей производят на пневматических или механических дробеметах. В пневматических дробеметах дробь через форсунку выбрасывается под давлением до 50—60 Н/см². В механических дробеметах дробь выбрасывается вращающимся с большой скоростью ротором.

Дробеструйный наклеп применяют для повышения усталостной прочности рессорных листов, пружин, осей, червяков и других де­талей, работающих в тяжелых условиях при переменной нагрузке.