Ткачёв В. Н. и др.
ИНДУКЦИОННАЯ НАПЛАВКА
ТВЁРДЫХ СПЛАВОВ
*** 1970 ***
|
ФPAГMEHT КНИГИ (...) После того как в 1935 г. В. П. Вологдин предложил использовать индукционный нагрев для поверхностной закалки деталей, область применения токов высокой частоты в машиностроении далеко перешагнула границы обычной термической обработки. В этой области появились фундаментальные исследования, было создано необходимое специализированное оборудование, успешно осуществлен на практике ряд новых технологических процессов.
В последние 20—25 лет быстрыми темпами начала развиваться и наплавка (в том числе и износостойкая), постепенно выделившаяся в самостоятельную отрасль сварочной техники и занявшая одно из ведущих мест среди других технологических методов повышения долговечности деталей машин. Основными преимуществами наплавки, обусловившими ее повсеместное признание, являются несложное оборудование и оснастка, небольшой расход легирующих элементов, которые в необходимой комбинации сосредоточиваются лишь в наиболее нагруженных объемах деталей, высокие механические свойства биметаллического соединения и, как следствие, значительный экономический эффект. Долгое время способы наплавки основывались либо на процессе дуговой сварки плавящимся электродом, либо на использовании пламени газовой горелки. Так как в ряде случаев эти способы не давали желаемых результатов, предпринимались настойчивые изыскания новых, более совершенных способов наплавки износостойких материалов. Одна из первых успешных попыток применения в качестве источника нагрева при наплавке токов высокой частоты относится к началу 40-х годов. Сотрудники Московского института нефтехимической и газовой промышленности им. Губкина Е. М. Кузмак и А. И. Курдин предложили для повышения износостойкости шарошек буровых долот оплавлять токами высо- кой частоты поверхности зубьев и армировать их литыми карбидами вольфрама — релитом. Позднее появились другие разновидности индукционной наплавки. Индукционный нагрев токами высокой частоты в настоящее время опробован в следующих основных вариантах наплавки: 1. Армирование расплавленного поверхностного слоя основного металла тугоплавкой и труднорастворимой присадкой. 2. Заливка жидкого присадочного металла на подогретый основной слой. 3. Расплавление монолитного или брикетированного присадочного материала на основном металле. 4. Расплавление непосредственно на основном металле пасты, состоящей из смеси порошкообразных твердых сплавов со связующим веществом. 5. Погружение подогретой детали в форму — тигель с расплавленным сплавом. 6. Центробежная заливка деталей цилиндрической формы. 7. Расплавление специальной порошковой шихты, нанесенной на упрочняемую поверхность (наплавка по методу Ростов-ского-на-Дону НИИТМа). Перейдем к более детальному рассмотрению перечисленных вариантов индукционной наплавки. Армирование расплавленного поверхностного слоя основного металла тугоплавкой и труднорастворимой присадкой. Сущность способа заключается в следующем. Крупка релита или измельченных металлокерамических сплавов (возможно также применение других тугоплавких материалов) и определенная порция флюса (борная кислота) наносятся на участок детали, подлежащий упрочнению. Затем деталь вводится в зону действия специального индуктора, в котором поверхностный слой основного металла разогревается до температуры плавления и оплавляется. Благодаря более высокой температуре плавления и повышенному удельному весу присадочный материал не расплавляется, а погружается в жидкую сталь. Закрепление зерен релита в основном металле происходит за счет их частичного растворения и смачивания расплавом. В результате образуется характерное биметаллическое соединение с четко выраженной границей раздела. Армированный слой представляет собой литую стальную матрицу, легированную элементами присадочного материала (углеродом и вольфрамом) с вплавленными в нее зернами тугоплавкого компонента. Частицы релита практически не изменяют при наплавке свою исходную структуру и свойства. Микротвердость достигает 2000 кГмм2. Армирование может быть однослойным и многослойным. Свойства наплавленного слоя в значительной мере зависят от степени растворения релита в основном металле и от размера его зерен. Снижение степени растворения релита может быть осуществлено диффузионным или вакуумным напылением защитных покрытий элементами с ограниченной растворимостью в железе. Так, например, нанесение пленки кадмия толщиной 0,5 мм уменьшает растворение релита в 3 раза. Чем более однородна структура армированного элемента, тем выше сопротивление детали ударным нагрузкам. Преимуществом рассматриваемого способа является существенное повышение износостойкости деталей при относительной простоте технологической схемы упрочнения. Недостатки способа — необходимость расплавления основного металла на значительную глубину и сравнительно небольшая производительность Способ нашел широкое применение на заводах, изготовляющих буровой инструмент для нефтяных и газовых скважин. В качестве примера приведем технологическую схему изготовления шарошек одного из типа долот. Заготовки для шарошек изготовляют из стали 20ХНЗЛ горячей штамповкой. После предварительной механической обработки следует операция наплавки, которую ведут релитом марки «3» зернистостью 0,5—0,8 мм. Затем производится цементация на глубину 1,6—1,9 мм, высокий отпуск, повторная закалка с низким отпуском, очистка, шлифование беговых дорожек и сборка. Проведение наплавки после цементации способствует увеличению служебных характеристик шарошек. Более подробные данные о технологии армирования и свойствах наплавленных деталей приводятся в работах 38, 41, 42. Заливка жидкого присадочного металла на подогретый основной металл. Этот метод наплавки в СССР используется для упрочнения толкателей клапанов автомобильных двигателей 62, 63. Принципиальная схема метода приведена на рис. 1. Присадочный материал 1 (низколегированный чугун) в виде мерных палочек через специальное загрузочное устройство подается в керамический тигель 2, размещенный в цилиндрическом индукторе 3 с переменным шагом витков. Умейьшение расстояния между витками в нижней части тигля обеспечивает более высокую температуру в районе выпускного отверстия 4. Благодаря этому расплавление чугунной палочки происходит постепенно. Расплавленный металл, минуя дополнительный подогревающий виток индуктора 5, попадет в выточку тарелки клапана 6, в которой находится навеска прокаленной буры 7. Последняя предназначена для предохранения металла от окисления в процессе нагрева, разрушения и удаления окисной пленки, т. е. выполняет ооль флюса. Расход буры на одну деталь составляет 0,2—0,5 г. Индуктор 8 служит для предварительного нагрева тарелок толкателей до температуры 1150—1200° С и питается от машинного генератора частотой 2500 гц. Плавящий же индуктор 5 получает питание от ламповой установки частотой 70 кгц. Расход мощности при производительности 450 толкателей в час составляет 45—50 кет на подогрев тарелок толкателей и 32— 35 кет на расплавление присадочного материала. Заключительной операцией является охлаждение стержня толкателя и нижней поверхности тарелки водой для обеспечения отбела наплавленного чугуна. При наплавке толкателей верхнеклапанных двигателей как для предварительного подогрева основного металла, так и для расплавления чугуна используется один генератор — ламповая установка ЛЗ-67 частотой 70 кгц, мощностью 60 кет. В процессе заливки и формирования наплавленного металла расплав подвергается интенсивному перемешиванию за счет переменного электромагнитного поля индуктора, что способствует удалению неметаллических включений из жидкой ванны. Новая технология наплавки расплавленным присадочным сплавом разработана ИЭС им. Патона 69. Необходимые порции заранее расплавленного твердого сплава намораживаются на наплавляемую поверхность, которая предварительно очищается от окисной пленки травлением в жидком флюсе либо нагревом в вакууме. По этой технологии можно наплавлять якоря электромагнитов постоянного тока, выхлопные клапаны дизельных двигателей, зубья ковшей экскаваторов и другие детали. Метод отличается высокой производительностью, например, машинное время наплавки клапана составляет 10— 15 сек, зуба ковша экскаватора 25—30 сек, якоря электромагнита 5—10 сек. Наплавленные детали отличаются высокой стойкостью 53. Наплавка по схеме с заливкой жидкого присадочного металла разрабатывалась также ВНИИТВЧ. Предлагалось, например, заливать расплавленный металл на поверхность детали (рис. 2), подогретой в специальном индукторе — форме 8. Тщательно очищенная деталь 1 покрывается слоем флюса и помещается в индуктор 2, обмазанный огнеупорным составом. |
