Восстановление валов малого диаметра наплавкой

Ремонт валов малого диаметра (55-75 мм) традиционными способами наплавки связано с определенными трудностями, вызванными необходимостью предотвращения их коробления. В этом случае целесообразно применять электроконтактную наплавку (ЭКН) [I]. Вопросы совершенствования этого процесса и изучения служебных характеристик восстановленных деталей представляют научный и практический интерес.

Процесс при ремонте валов ЭКН характеризуется малыми тепловложениями однако и при наложении весьма ограниченного числа витков из-за суммирования тепловых полей наступает перегрев и выдавливание наплавленного металла из-под дисков-электродов. Поэтому невозможно вести процесс без сопутствующего охлаждения. Однако скорость охлаждения основного металла должна быть меньше критической, чтобы в металле не возникали неблагоприятные структуры, создающие опасность образования закалочных трещин. Охлаждение вала подачей воды непосредственно в зону наплавки (как в настоящее время в основном и делают) приводит к образование мартенсита в металле.

В статье описаны схемы ремонта валов охлаждением наплавляемого вала, но пользование которых при ЭКН позволяет исключить образование мартенсита в металле. Показано, что поверхностное пластическое деформирование (ППД) после ЭКН путем обкатки роликами является эффективной упрочняющей обработкой.

Наплавку производили на установке УКН-11 [2] (по двух-роликовой схеме) проволокой Св-08 диаметром 2 мм при L = 9,1 кА, tu= 0,06 с, tn = 0,1 c, Р = 1,5 кН. Толщина покрытия после шлифования составляла 0,3 мм. Образцы диаметром 45 и 55 мм, изготовленные из стали 45 в состоянии нормализации, обкатывали роликами диаметром 60 мм профильным радиусом 9,5 мм (упрочняющий ролик ) и 14,5 мм (оглаживающий) при усилиях 5 и 9 кН.

Испытания на ударный изгиб, по результатам которых оценивали влияние процесса на основной металл, проводили на прямоугольных образцах размерами 10x10x55 мм, вырезанных из цилиндрических заготовок диаметром 45 мм. Для ограничения пластической деформации на боковых гранях выполняли надрезы глубиной и радиусом I мм.

Усталостные испытания при ремонте валов, позволяющие оценить основную служебную характеристику валов после восстановления, проводили на ступенчатых образцах (меньший диаметр шейки 55 мм, радиус галтельного перехода 2,5 мм), которые имитировали наиболее нагруженные участки валов подвагонных генераторов железнодорожного подвижного состава. При этом использовали трехточечную схему нагружения с расстоянием между опорами 180 мм (коэффициент асимметрии цикла 0,1). При построении полных кривых усталости полученные результаты подвергали корреляционному анализу. В результате зависимости числа циклов N от приложенных напряжений V были аппроксимированы линейными зависимостями вида lgN= 8,03-0,108 V. Определяли также коэффициенты корреляции.

Исследуемые валы работают в условиях симметричного цикла, поэтому пределы выносливости V0,1 полученные при асимметричном цикле (R= 0,1), пересчитывали на симметричный (R= -1) ( V-1). На основании опыта ВНИИЖТ [3] принимали, что V0,1 в 1,9 раза больше чем V-1.

Наплавку начинали на расстоянии 5 мм от галтели. Для выравнивания края покрытия начало первого витка стачивали, в результате чего после механической обработки покрытие отстояло 6т галтели па расстоянии 10 мм. При обкатывании заходная впадина (место начала обкатывания) располагалась на пояске между галтелью и краем покрытия.

Предложенные схемы охлаждения представлены на рис. 1.

При их использовании процесс ремонта валов ведется с получением неохлаждаемой зоны определенного размера, благодаря которой обеспечивается подогрев валика (выходящего из-под второго диска-электрода) до 250°С. Отвод избыточной теплоты, вызывающей перегрев наплавляемого металла, осуществляется локальными стоками в местах их подвода воды. Предложенные схемы отличаются друг от друга различным расположением участков подачи охлаждающей воды относительно мест контакта дисков-электродов с валом, размером неохлаждаемой зоны и расходом воды во втором канале.

ремонт валов

Рис. I. Схема охлаждения вала при ЭКН: а — общепринятая; б-д — предложенные; А — меото контакта диска-электрода с валом; Б — зона, не охлаждаемая водой.

Не рекомендуется подача воды (Q) непосредственно на электрод (рис.1,а). Согласно второй рабочей схеме (рпс.1,б) вода (Qi) подается только впереди зоны наплавки. Третья схема (риc.1,в) отличается от первой дополнительной подачей воды (Q2) на край предыдущей шейки. В случае использования четвертой схемы (риc. 1,г) подача воды осуществляется впереди наплавляемого витка и на наплавленную часть вала с получением неохлаждаемой зоны определенного размера. По пятой схеме (рис.1,д) вода из второго канала не подается на вал, а подводится снизу(Q2).

Установлено, что для предупреждения попадания воды в места контакта дисков-электродов с валом (в зону наплавки) должна соблюдаться определенная последовательность ее включения в первом и втором каналах. В начальный период процесса подача осуществляется только из первого канала (перед зоной наплавки) с таким расчетом, чтобы растекающаяся струя не затекала за наплавленный валик (рис.2, штриховые линии). При этом условии вода, стекая вниз по цилиндрической поверхности, огибает места контакта дисков-электродов с валом, так как поверхность основного металла в местах ввода теплоты больше нагревается, чем остальная часть. Первые витки, начиная со второго, наплавляются при увеличивающемся расходе (рис.2).

Первый виток наплавляется бее охлаждения. После наложения определенного числа витков (при токе 9,1 кА — пять, при 10 вА — три) положение растекающейся струн стабилизуется и некоторое время не требуется увеличивать расход воды (сплошные линии). В этот период независимо от схемы охлаждения расход одинаков и составляет 10-5 (ток 9,1 кА) и 1,17*10-5 м3/с (10 кА).

ремонт валов

Рис. 2. Кривые изменения расхода воды при наплавке током 9,1 (I) и 10 кА (2)

Для предупреждения перегрева наплавляемого и основного металлов (на основном металле образуется оксидная пленка темно-фиолетового цвета) осуществляется подача из второго канала (за неохлаждаемой зоной) с постоянным расходом, который соответствует для второй схемы 1,5*10-5м3/с, для третьей I0-5 м3/с и для четвертой 0,5*10м3/с. При наплавке по предложенным схемам ширина пояска окисленного металла (перед формируемым валиком) не превышала 2,5-3,0 мм, по цвету он не изменился и оставался черным.

Эффективность применения той или иной схемы охлаждения оценивали по технологичности ремонта валов, под которой понимали простоту настройки режима охлаждения и обеспечение его постоянства во время наплавки, а также по доле мартенситной составляющей в металле ЗТВ, выявленной при металлографическом анализе. При наплавке валов диаметром 55-75 мм наиболее технологичной является вторая схема охлаждения. Ее использовали при наплавке валов диаметром 55 мм для усталостных испытаний. Валы диаметром менее 45 мм и большой длины (180-200 мм) рекомендуется наплавлять, применяя четвертую схему. При использовании третьей схемы из-за быстрого нагрева неохлаждаемой зоны приходятся все время подстраивать ее размер (неохлаждаемая зона стремится увеличиться). В случае же подвода воды снизу положение струи в меньшей степени зависит от увеличения температуры неохлаждаемой зоны. Первая схема имеет ограниченное применение, поскольку после наложения шести-семи витков невозможно избежать перегрева наплавляемого металла.

При использовании третьей схемы охлаждения структурными составляющими металла являются отпущенный мартенсит микротвердостью 380-420 ед. тростит (296-367 ед.) и феррит, располагающийся в виде сетки по границам аустенитных зерен. Их процентное содержание в зоне соединения (продольный шлиф) составляет соответственно 40, 50 и 10%. При использовании второй схемы охлаждения доля мартене иглой составляющей в металле несколько уменьшается. Такое же уменьшение отпущенного мартенсита наблюдается и при наплавке шеек диаметром 45 мм с применением четвертой схемы охлаждения.

Оксидная пленка темно-фиолетового цвета, образующаяся перед формируемым валиком, в случае перегрева основного металла из-за повышенного электрического сопротивления приводит к образованию очаговых подплавлений в зоне соединения.

Подобный эффект оказывают следы коррозии на присадочной проволоке. Очаговые подплавления, как было установлено ранее, создают опасность образования микротрещин. В связи о этим в технологический процесс восстановления валов подвагонных генераторов включена операция очистки проволоки, при которой пропускают проволоку черев пучок скрученных тросиков.

Результаты испытаний на ударный изгиб (см. таблицу) показали, что при применении общепринятой схемы охлаждения ударная вязкость ниже, чем при наплавке с охлаждением по предложеной схеме. В первом случае она составляет 0,19, а во втором 0,96 Дж/м2. Однако не обнаружена разница в значениях ударной вязкости при наплавке с использованием различных предложенных схем охлаждения. Наличие утяжки на разрушенных частях образцов, направленных по предложенной схеме (у наплавленных по общепринятой схеме утяжка отсутствует), свидетельствует о том, что рост ударной вязкости вызван увеличением пластичности металла.

Схема обработки ап,Дж/м2 Данные статической обработки
ап ,Дж/м2 S, Дж/м2 Vp,%
ЭКН но схеме:        
общепринятой 0*15/0,2 0,19 0,05 28,4
предложенной 0,53/1,39 0,96 0,20 21,0
ЭКН + ППД при уси        
усилии, кН:        
5 0,76/1,47 1,08 0,2^ 26,0
9 1 0,9 /1,62 1,25 0,22 15,6

 

Примечания: I. Принятые обозначения; п — число образцов (во всех случаях равно 10); ап — среднеарифметическое значение ударной вязкости; S — стандартное отклонение; Vp— коэффициент вариации.   •

В числителе даны минимальные значения ап, в знаменателе — максимальные.

Упрочняющее обкатывание роликами c усилиями 5 и 9 кН также приводит к росту ударной вязкоcти. Если при усилиях 5кН прирост составляет 9%, то при 9 кН он достигает 26%. Повышение ударной вязкости в этом случае видимо, связано с ростом работы зарождения трещины благодаря созданию наклона на поверхности образца.

Результаты усталостных испытаний (рис.3) показывают, что предел выносливости валов, подвергнутых ПП
Д после ЭКН (185,9 МПа), не ниже, чем новых (175,5 МПа). Однако для валов, не подвергавшихся упрочнению, он снижается на 18%. Разрушение после комбинированной обработки (ЭКН I ППД) во всем исследованном интервале нагрузок происходит по галтельному переходу. При этом место разрушения зависит от напряжений. При напряжениях, соответствующих пределу выносливости валов в исходном состоянии или выше его, наплавленные валы разрушались по галтельному переходу.

Когда напряжения ниже предела выносливости, разрушение происходит по наплавленному металлу, как правило, между первым и вторым витками.

Как установлено ранее, слабыми местами электроконтактного покрытия являются межвитковые соединения. При магнитной дефектоскопии покрытий, наплавленных на заниженном режиме, выявляются межвитковые неоднородности. В случае их обкатывания происходит разрушение. Покрытия, наплавленные на оптимальном режиме, неоднородностей не имеют и при обкатывании не разрушаются. Bалы подвагонных генераторов работают при наличии неподвижных соединений внутренних колец подшипников, соединительных полумуфт и различных втулок. Изнашивание этих поверхностей происходит в результате смятия, деформирования. Безусловно, чем выше твердость наплавленной поверхности, тем меньше склонность к этому виду повреждений. Однако покрытие, наплавленное, например, высокоуглеродистой проволокой 65Г, не всегда можно обработать, особенно, если на ремонтном предприятии нет шлифовального оборудования.

На железнодорожном транспорте имеется 25-летний опыт эксплуатации валов тяговых двигателей локомотивов, наплавленных низкоуглеродостой проволокой (Св-08) о последующим ППД обкаткой роликами, которые показали высокую работоспособность. Валы тяговых двигателей восстанавливаются путем расплавления присадочного металла (вибродуговой наплавкой под флюсом).

ремонт валов

 

Рис. 3 . Кривые усталости, валов после ЭКН (I)» ЭКН+ПЯД (2)* в исходном состоянии Э(3)

В этом случае получается дендритная структура, которая при ППД в меньшей степени упрочняется, чем равноосная, получаемая при ЭКН (процесс осуществляется в твердой фазе). Поскольку контактные напряжения на поверхности шеек валов подвагонного генератора меньше, чем поверхности вала тягового двигателя (первый воспринимает меньшие нагрузки), а упрочняемость их при ППД выше, работоспособность поверхностей, восстановленных ЭКН с использованием низкоуглеродистой проволоки, должна быть не ниже, чем валов тяговых двигателей. Эксплуатация валов подвагонных генераторов, восстановленных ЭКН, в течение 6 лет подтверждает правильность этого вывода.

Выводы

  1. Для предотвращения образования мартенсита в металле предложены схемы охлаждения, при использования которых процесс наплавки осуществляется с сопутствующим подогревом.

При этом валик, выходящий из-под второго диска-электрода до перекрытия со вновь образуемым, имеет температуру около 250°С. Температура подогрева ограничивается вследствие окисления наплавляемой поверхности и выдавливания наплавляемого металла из-под второго диска-электрода.

  1. Обкатывание роликами может быть использовано как средство повышения предела выносливости валов после наплавки.

Список литературы

Клименко Ю.В. Электроконтактная наплавка. М. Металлургия, 1978, 128 о.

Клименко Ю.В., Латыпов В.А,, Банин М.Н. Установка УКН-П для электроконтактной наплавки изношенных шеек / Сварочное производство. 1979. ft 4 С. 35-36.

Школьник Л.М. Методика усталостных испытаний. М. Металлургия, 1978. 302 с.

Виталий Сыроед

Автор: Виталий Сыроед

------ Наша официальная группа Вконтакте https://vk.com/club150627016 Обо мне 32 года,женат, есть ребенок.Эксперт по лечению артрозов, артритов и аллергий без таблеток и дорогих добавок. Хобби — изготовление различных полезных приспособлений и предметов, чтение, занятия физ. упражнениями, бег. +380960030982

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *