Восстановление изношенной поверхности полумуфты редуктора электровоза ВЛ85

    Химические и  механические и теплофизические свойства стали приведены в таблицах 3,4 и 5.

  Таблица 3.

Химический  состав стали 20ХН3А

Ni	Si	Mn	S	P	C	Сu	Cr
			не более
2,75…3,15	0,17…0,37	0,3…0,6	0,035	0,025	0,2	0,3	0,6…0,9

 

Таблица 4.

Механические свойства стали 20ХН3А

Временное сопротивление sВ, МПа	Предел текучести  sт, МПа	Относительное удлинение  d5, %	Относительное сужение  ψ, %	Ударная вязкость KCU ан, Дж/см2	Твёрдость основного металла, HB
не менее
931	735	10	45	69	294

 

Таблица 5.

Теплофизические свойства стали 20ХН3А

T	E 10- 5	a 10 6	l	r	C	R 10 9
Град	МПа	1/Град	Вт/(м·град)	кг/м3	Дж/(кг·град)	Ом·м
20	2.12		36	7850		270
100	2.04	11.5	35	7830	494	300
200	1.94	11.7	34		507	350
300	1.88	12	33	7760	523	450
400	1.69	12.6	33		536	550
500	1.69	12.8	31		565	650
600	1.53	13.2	31	7660	586
700	1.38	13.6	30		624
800	1.32	11.2	28		703

 

Применение различных  методов дуговой наплавки обуславливает  учет такого свойства материала как  свариваемость, т. е. склонность к образованию  горячих и холодных трещин при  наплавке. Соединение считается качественным, если его механические, химические и физические свойства близки к свойствам  основного металла (металла восстанавливаемой  детали) и в соединении отсутствуют  дефекты в виде пор и неметаллических  включений. Свариваемость материалов в значительной степени определяет степень усложнения технологического процесса для получения необходимого качества наплавленного слоя.

Свариваемость, в основном, определяется содержанием углерода и легирующих элементов (для сталей). С увеличением содержания этих элементов  свариваемость ухудшается, т. е. возрастает вероятность образования различных  видов дефектов в наплавленном металле  и зоне термического влияния.

Влияние углерода и легирующих элементов на склонность к возникновению  трещин можно оценить по эквивалентному содержанию углерода, по формуле:

 

Ограниченно сваривающиеся, у которых С_экв в пределах 0,35—0,45; они склонны к образованию трещин при сварке в обычных условиях. При наплавке таких сталей необходима предварительная термообработка и подогрев. Большинство сталей этой группы подвергают термообработке и после сварки или наплавки.  

5.  Основные технические требования к восстанавливаемой поверхности

   Полумуфта имеет габаритные размеры Æ330´265 мм, вес 26,5 кг. Износ 0,5 мм.

Технические требования, предъявляемые  к детали:

Полумуфту обработать, обеспечив следующие механические свойства:

-твёрдость  НВ 217…241;

-ударная вязкость  – 9 кгм/см²;

-предел прочности  – 70 кг/мм²;

-предел текучести  – 50 кг/мм²;

-относительное  удлинение – 10%;

-относительное  сужение – 50%;

 

 

2.  Разработка технологического  процесса восстановления изношенной детали

2.1 Обоснование и выбор способа нанесения покрытия и принципиальной схемы технологического процесса ремонта детали

 

Выбор рационального способа  является одним из основных вопросов при разработке технологического процесса восстановления детали. Выбор способа  восстановления базируется на условии  обеспечения наибольшей долговечности  детали при наименьших затратах на восстановление. Для восстановления одной и той же детали обычно пригодны несколько способов, в основном неравноценных  по своим технико-экономическим  показателям.

Для выбора рационального  способа наплавки изношенной поверхности  необходимо знать технологические  возможности каждого из выбранных  способов ( табл.6).

Таблица 6.

Выбор способа восстановления изношенной детали проводится по 3-м  основным критериям:

-критерий применимости;

-критерий долговечности;

-критерий технико-экономической эффективности.

Критерий  применимости позволяет из различных  способов восстановления выбрать тот, который наиболее полно удовлетворяет  требованиям восстановления данной детали.

Применимость способа  восстановления к конкретной детали определяется конструктивно-технологическими характеристиками. К ним относятся:

- форма и размеры детали;

- материал детали, его термическая обработка и свариваемость;

- характер и величина эксплуатационных нагрузок, воспринимаемых деталью;

- твердость рабочей поверхности;

- величина износа;

- точность изготовления детали;

- программа ремонта детали.

В таблице 6 приведены рациональные способы нанесения покрытий в зависимости от химического состава стали и вида термической обработки с учетом износа детали и толщины стенки в месте износа.

Таблица 6.

Преимущественное применение при восстановлении полумуфты получили следующие виды наплавки: вибродуговая наплавка в различных защитных средах, плазменное напыление, электроконтактная наплавка и газопламенное напыление.

Рассмотрим преимущества и недостатки каждого из способов восстановления.

 

 

2.1.1 Вибродуговая наплавка

Восстановление изношенных деталей из стали марок 40Х, 30ХМА, 40Х, 45Х, 38ХС, 20ХН3А, 30ХН3А, 30ХНМА по ГОСТ 4543 рекомендуется выполнять вибродуговой наплавкой.

Сущность вибродуговой наплавки состоит в том, что во время плавления электроду сообщается колебательное движение (около 100 колебаний в секунду) с периодическим замыканием дугового промежутка и принудительным переносом электродного металла в наплавочную ванночку.

Наплавлять можно на воздухе, в  среде защитного газа или с  подачей жидкости к месту дугового разряда. Наибольшее распространение  получила вибродуговая наплавка в жидкой среде.

Сущность процесса автоматической вибродуговой наплавки заключается  в следующем.

Рис. 4. . Схема установки для вибродуговой наплавки детали

 

1 – реостат; 2 – источник тока; 3 – подвод жидкости; 4 – подающий  механизм; 5 – кассета для проволоки; 6 – вибратор; 7 – пружина; 8 – шестеренчатый  насос; 9 – мундштук; 10 – наплавленный  слой; 11 – деталь шестеренчатый  насос; 12 – бак с охлаждающей  жидкостью.

 

Деталь зажимается в патроне  токарного станка (рис.4).

На суппорте устанавливается наплавочная  головка, конструкция которой специально разработана для реализации данного  вида наплавки. Она обеспечивает автоматическую подачу к детали электродной проволоки  при непрерывной ее вибрации. К  детали и проволоке подводится напряжение 12…22 В от источника постоянного  тока. Полярность - обратная, т. е, электрод подключается к положительному полюсу. Процесс вибродуговой наплавки состоит из трех последовательно повторяющихся периодов (рис.5).

Осциллограмма напряжения и тока дуги при малой индуктивности 

дуги.

Рис. 5. Осциллограмма напряжения и тока дуги при малой индуктивности дуги.

1 – период короткого  замыкания; 2 – период горения; 3 –  период холостого хода.

 

Вибрация  электродной проволоки осуществляется электромагнитными механическими  вибраторами с частотой 50…100 Гц. Период горения дуги составляет 4…10 мс (миллисекунд).

В момент короткого  замыкания наплавочной цепи напряжение резко падает до нуля, а сила тока быстро возрастает до максимального  значения. При разрыве цепи напряжение между электродами мгновенно  повышается до 24…30 В и возникает  кратковременный дуговой разряд. В этот период происходит перенос  металла на деталь. При дальнейшем увеличении электродного промежутка дуга гаснет, так как напряжение холостого  хода источника тока становится недостаточным  для поддержания стабильного  дугового разряда. Далее цикл повторяется.

Для устойчивости горения дуги в  наплавочную цепь включают индуктивное  сопротивления – несколько витков дросселя сварочного трансформатора СТЭ-34. Индуктивность снижает импульс  тока в момент короткого замыкания, уменьшает период холостого хода и увеличивает длительность дугового разряда при замыкании электродов.

Качество  наплавляемого слоя зависит от режимов, скорости его охлаждения и вибрации электрода.

Охлаждающая жидкость защищает наплавочную  ванну от воздействия воздуха, способствует быстрому охлаждению детали, в результате чего происходит закалка наплавляемого  слоя, а также она предохраняет деталь от

деформации.

Для этой цели в зону наплавки насосом  токарного станка через мундштук головки подается охлаждающая жидкость (электролит). В качестве охлаждающей  жидкости применяется 4…6%-ный раствор кальцинированной

соды и 0,5% минерального масла или 15…20%-ный раствор технического глицерина и др.

Вибродуговая наплавка имеет следующие  достоинства: можно восстановить детали, имеющие термическую и термохимическую обработки (шейки распределительных валов, цапфы крестовин дифференциала, опорные шейки разжимных кулаков и др.); зона термического влияния имеет малую величину (0,5…0,2 мм), сердцевина

детали не изменяет своей структуры; высокая, хотя и неравномерная, твердость.

Основной недостаток вибродуговой наплавки в жидкости – большое  влияние ее на снижение выносливости восстанавливаемой детали. Расход жидкости обычно составляет не более 0,5 л/мин. Несмотря на это, предел выносливости снижается  на 20…40% по сравнению с основным металлом, потери металла на угар и  разбрызгивание составляют 25…30%. Для получения мягкой наплавки в качестве электродов используется проволока марки СВ08, СВ10 или СВ10ГС. Эти поверхности хорошо обрабатываются резцами и фрезами. Перед наплавкой деталь должна быть выправлена, а в случае эксцентрического износа обработана так, чтобы биение не превышало 0,3—0,5 мм. Поверхность детали необходимо очищать от загрязнений. Наплавку следует вести послойно. После наплавки каждого слоя следует очищать поверхность детали до металлического блеска щеткой или обрабатывать шлифованием. Рекомендуется применять режимы наплавки в следующих пределах: сила  тока120—250а; напряжение18—22В; скорость подачи электродной проволоки  14—22мм/сек; диаметр электродной проволоки 1,5—2мм.

 При соблюдении рациональных технологических режимов наплавленный слой хорошо соединяется с основным металлом. Структура и твердость металла в значительной степени зависят от марки проволоки, количества наплавляемых слоев и интенсивности охлаждения. Величина зоны термического влияния обычно колеблется при незакаленных деталях от 0,6 до 1 мм и при закаленных — от 1,5 до 3 мм. Наличие остаточных напряжений растяжения в зоне наплавки в сочетании с пониженными пластическими свойствами наплавленного металла, способствует образованию радиальных микротрещин. Эти трещины длиной до 1,5 мм наблюдаются в наплавленном слое и в зоне термического влияния. Они более характерны при наплавке высокоуглеродистой проволокой.

Недостатки процесса следующие: 
- снижение усталостной прочности до 60 % из-за образования закалочных структур в материале, вызывающих растягивающие напряжения и неоднородность твердости (в местах перекрытия точек сварки в результате отпуска твердость снижается); 
- наличие пор в покрытии но причине быстрого перехода металла из жидкого состояния в твердое.

2.1.2 Плазменное напыление

Процесс нанесения покрытия на поверхность детали (изделия) с  помощью плазменной струи. Плазменная струя – это частично или полностью  ионизированный газ, обладающий свойством  электропроводности и имеющий высокую  температуру.

Различают высоко- и низкотемпературную плазму. Первая практически ионизирована, и ее электронная температура  оценивается в сотни тысяч  и более градусов. Низкотемпературная плазма, с температурой в несколько  тысяч или десятков тысяч градусов, ионизирована частично и содержит значительную часть нейтральных частиц.

Низкотемпературная плазма – многокомпонентная система, состоящая  из атомов или молекул в основном состоянии; молекул, атомов, радикалов  в различных возбужденных квантовых  состояниях; ионов, электронов. Для  нанесения плазменных покрытий применяется  низкотемпературная плазма.

Сущность плазменного  напыления заключается в том, что в высокотемпературную плазменную струю подается распыляемый материал, который нагревается, плавится и  в виде двухфазного потока направляется на подложку. При ударе и деформации происходит взаимодействие частиц с  поверхностью основы или напыляемым материалом и формирование покрытия.

Плазменный процесс состоит  из трех основных стадий:

1)  генерация плазменной  струи; 

2) ввод распыляемого материала  в плазменную струю, его нагрев  и ускорение; 

3) взаимодействие плазменной  струи и расплавленных частиц  с основанием.

Плазменным напылением наносятся  износостойкие, антифрикционные, жаро-, коррозионностойкие и др. покрытия.