Наплавка трением. Электроконтактная наварка

Сущность процесса наплавки металлов трением заключается в плавлении наносимого металла теплотой, выделяемой при трении инструмента, или самого наплавляемого металла о деталь с последующим соединением его с деталью при определенном усилии. Трение обеспечивается вращением наплавляемой детали или инструмента относительно массы наносимого металла или сплава. Основным условием для обеспечения плавления наносимого металла или сплава является изготовление наплавляемой заготовки или инструмента (с помощью которых осуществляется трение) из материалов с более высокой температурой плавления по сравнению с температурой плавления наносимого материала. Во избежание «прихватывания» наплавляемого металла к рабочей поверхности инструмента или формообразующей детали приспособления их изготавливают из особых материалов.

Рис. 1. Принципиальные схемы процесса наплавки трением: а – на внутреннюю; б – на наружную; в – на торцовую поверхности; 1 – деталь; 2 – инструмент; 3 – наплавляемый металл до наплавки; 4 – наплавленный металл; 5 – приспособление

При наплавке металла на торцовую поверхность детали во внутреннюю полость приспособления 5 (рис. 1) помещают необходимое количество стружки 3, после чего в него вводят деталь 1. За счет продольного перемещения пуансона 2 наплавляемый металл предварительно уплотняется с образованием брикета соответствующей плотности. Наплавка происходит при вращении детали 1 и одновременном продольном перемещении пуансона 2 для создания рабочего давления на поверхности трения детали. В результате интенсивного тепловыделения от трения брикет расплавляется и, находясь в закрытом пространстве приспособления, наплавляется на торцовую поверхность детали. По достижении инструментом 2 крайнего положения, соответствующего заданному размеру Н наносимого слоя металла, вращение детали прекращается, и наплавленный металл 4 кристаллизуется на ее поверхности в условиях всестороннего сжатия, обеспечивающих получение металлического соединения высокой прочности и высокую плотность наплавленного металла. После окончания кристаллизации инструмент отводится в исходное положение, приспособление раскрывается и наплавленная деталь извлекается. При наплавке металла или сплава на наружную поверхность цилиндрической детали 1 (рис. 1, б) инструмент отсутствует, предварительное уплотнение стружки наносимого металла и создание рабочего давления на поверхность трения обеспечиваются продольным перемещением приспособления 5. Металл плавится трением торцовых и боковых поверхностей детали 1 о брикет, вытесняется из полости 3 и располагается на боковой поверхности детали слоем заданной толщины. В крайнем положении, соответствующем вытеснению всего металла, вращение детали и продольное перемещение приспособления прекращаются, и расплавленный металл 4 кристаллизуется на поверхности слоем заданной длины L.

При наплавке металла на внутреннюю боковую поверхность деталь 1 (рис. 1, а) закрепляют в приспособлении 5, обеспечивающем создание закрытого пространства достаточных размеров для помещения стружки.

Наплавка выполняется вращением инструмента 2 и продольным перемещением приспособления. В крайнем верхнем положении приспособления весь расплавленный металл располагается на наплавляемой поверхности слоем определенного размера; затем инструмент, не прекращая его вращения, извлекают из приспособления.

1. Преимущества и недостатки наплавки металлов трением

Наплавка трением отличается от других методов наплавки полезным использованием теплового эффекта трения, отсутствием расплавления основного металла и перегрева наплавляемого металла. При этом отсутствует их перемешивание. Важной особенностью процесса наплавки трением является образование металлического соединения между твердым и жидким металлами в условиях всестороннего сжатия, что обеспечивает плотность наплавленного металла.

Преимущества процесса:

1. стабильность химического состава и сохранение исходных механических свойств в наплавленном слое;
2. получение надежного соединения основного и наплавленного металлов;
3. возможность наплавки комбинированной шихтой для получения заданных свойств наплавленного слоя;
4. возможность эффективного использования отходов механической обработки;
5. высокая экономичность процесса.

К недостаткам процесса относятся:

1. невозможность нанесения металлов более тугоплавких, чем основной металл;
2. ограниченные размеры наплавляемых поверхностей;
3. необходимость изготовления специальных приспособлений или сменных вкладышей к ним для наплавки деталей каждого типа.

Процесс наплавки трением целесообразно применять для ремонта изношенных и изготовления биметаллических деталей, а также для поверхностного упрочнения деталей.

Особенно эффективен этот процесс для ремонта деталей типа втулок.

В настоящее время большинство резьбовых и шпиндельных гаек, золотников и клапанов нефтяной арматуры, подвижных и антифрикционных колец ремонтируются таким способом. В качестве наплавочных материалов могут использоваться алюминиевые сплавы (АЛ-1), медь (М-0,М-1), различные бронзы (БрОФ-10-1; БрАЖ9-4; БрАЖМц 10-3-1,5), латуни (ЛК80-3, ЛС59-1, Л-62), а также ковкий чугун, белый чугун и сплав Сормайт-1.

2. Технология ремонта изношенных деталей наплавкой трением

Технологический процесс ремонта изношенной или изготовления биметаллической детали наплавкой трением состоит из следующих этапов:

• подготовка детали к наплавке;
• подготовка наплавляемого металла или сплава;
• предварительное уплотнение наплавляемого металла или сплава;
• наплавка трением;
• контроль качества наплавки;
• окончательная механическая обработка наплавленной детали.

После наплавки деталь помещают в ящик с песком для медленного остывания. Качество соединения детали с наплавленным слоем и отсутствие дефектов проверяются визуально и простукиванием детали медным молотком. Проводятся также выборочные механические испытания наплавленных деталей для определения прочности соединения основного металла с наплавленным. Необходимые размеры и качество поверхности в соответствии с рабочим чертежом получаются механической обработкой (рис. 2).

Рис. 2. Пример наплавленной детали – втулка. Основа – сталь 3, наплавленный слой – латунь ЛМцС58-2-2

Электроконтактная наварка (ЭКН) является одним из перспективных способов формирования на рабочих поверхностях деталей машин металлопокрытий со специальными эксплуатационными свойствами. Способ позволяет наплавлять материалы различной формы, с различными физико-механическими свойствами (стальные ленты, порошки, проволоки). Основные принципы процесса электроконтактной наварки проволокой были разработаны в 70-х годах ХХ века. Сущность способа заключается в следующем.Наплавочный ролик прижимает наплавляемый, навариваемый или напекаемый материал к детали и деформирует его, после чего наносимый материал нагревается разрядом тока. При ЭКН на деталь компактного материала (сплошной проволоки или ленты) идут такие же процессы термомеханической обработки металла и образования сварного соединения, как и при сварке давлением. Если применяется порошковый материал или паста, то процессы уплотнения и спекания порошка, а также его соединения с основой значительно ускоряются.

С помощью электроконтактной наварки восстанавливаются различные детали автомобилей и тракторов, имеющие цилиндрические поверхности: гильзы блока цилиндров ДВС, оси колес, балансиры внешние и внутренние, валы ведущих мостов, полуоси, оси опорных катков тракторов, валы коробок передач, валы муфт сцепления, опоры промежуточные, цапфы поворотные, кулаки поворотные, шкворни поворотных кулаков, рукава полуосей и т. п.

Электроконтактная наварка проволокой (лентой).Область применения – восстановление деталей с малыми износами (посадочные поверхности, шейки коленчатых валов и т. п.); толщина стальной ленты составляет 0,2…1,0 мм; порошковополимерной ленты – 0,5…2,0 мм.

Типовые размеры восстанавливаемых деталей: диаметр – 10…250 мм; длина – 50…1250 мм. Затраты на восстановление деталей методом электроконтактной наварки составляют 30…40 % от стоимости новых.

Процесс осуществляется следующим образом (рис. 3). Концы присадочных проволок (лент) 1 зажимаются между роликовыми электродами 2 и деталью 3, образуя электрическую цепь 4 вторичного контура сварочного трансформатора Тр. При пропускании во вторичном контуре импульсов сварочного тока I большой величины и малого напряжения происходит приварка проволоки (ленты) к поверхности детали.

Рис. 3. Схема электроконтактной наварки проволоки или ленты: 1 – проволока (лента); 2 – электродные ролики; 3 – деталь; 4 – вторичный контур сварочного трансформатора; 5 – подача охлаждающей жидкости

Сплошной валик наваренного металла образуется при вращении детали с угловой скоростью так, чтобы единичные объемы наваренного металла перекрывали друг друга. Восстановление всей поверхности осуществляется наваркой по винтовой линии за счет продольной подачи роликовых электродов. Толщина слоя зависит от количества проходов. Подача в зону наварки охлаждающей воды 5 приводит к закалке углеродистого наваренного металла и предотвращает перегрев всей детали. Процесс электроконтактной наварки шейки коленчатого вала представлен на рис. 4.

Рис. 4. Процесс электроконтактной наварки шейки коленчатого вала: а – установка для наварки; б – наваренная шатунная шейка

Свойства наваренного металла определяются в первую очередь химическим составом присадочной проволоки (ленты). С увеличением содержания углерода возрастает твердость наваренного металла и, следовательно, его износостойкость. Наличие других легирующих элементов, например хрома, не ухудшает свариваемости. Это дает возможность наварки слоев со специальными свойствами. Наваренный металл характеризуется отсутствием неблагоприятной литой структуры, что имеет место при дуговой наплавке. Отсутствуют также такие характерные дефекты, как поры и трещины. Структура наваренного металла неоднородна – закаленные участки чередуются с частично отпущенными зонами. Эта структура характерна для многих импульсных технологий и объясняется особенностями их термических циклов. Такой вид структуры не оказывает негативное воздействие на износостойкость восстановленной поверхности.

3. Оборудование для электроконтактной наварки

В качестве оборудования могут применяться как специально разработанные, так и стандартные установки для шовной сварки. Для реализации электроконтактных технологий разработаны установки УЭН-01 первого поколения (изготавливаемые на базе токарных станков), а с 2002 года специализированные установки второго поколения УЭН-2П.M01, имеющие стабилизацию параметров режима и автоматизацию управления с единого пульта (рис. 5).

Рис. 5. Внешний вид установок для электроконтактной наварки: а – установка УЭН-01; б – установка УЭН-2П.М01

Электроконтактное напекание порошков применяется для восстановления шеек коленчатых валов автомобилей и тракторов. Продолжительность наращивания слоя на одну шейку составляет 40…60 с, толщина слоя за один проход – до 1,7 мм. Микропористое покрытие на шейках получают посредством электроконтактного нагрева и спекания порошка при одновременном формовании его медным электродом. Исходным сырьем для напекания служат порошки, стружка, гранулы, отходы различных металлов и сплавов на основе меди, железа, никеля, вольфрама, например, БрОФ10-1, БрОЦС5-5-5, БрАЖ9-4, БрОС1-22, ПМС-1, ПР-Х4Г2Р4С2F, ПГ-СР1, ПГ-СР2, ПГ-СР3, ПГ-СР4, ПГ-УС25, ПГ-10Н-01, ПГ-10Н-02 и др.

Наращенное покрытие имеет минимальные припуски на обработку (до 1 мм), микропористость – 15…20 % и износостойкость в 1,3…1,5 раза выше, чем износостойкость закаленной стали 45 или высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Ресурс восстановленных напеканием валов автомобилей семейства «ГАЗ» составляет не менее 100 тыс. км пробега. Валы этим способом можно восстанавливать неоднократно.