Величина износа деталей цилиндрической формы по условиям восстановления может быть разбита на три группы: 1) до 0,1 мм, 2) до 0,3 мм и 3) свыше 0,3 мм. Детали первой группы могут быть восстановлены электроискровым наращиванием и хромированием. Детали с износом до 0,3 мм восстанавливают осталиванием, хромированием и наплавкой, а при износе более 0,3 мм — заменой изношенной части, газопрессовой сваркой, осталиванием и наплавкой. Некоторые способы восстановления дают возможность не только использовать изношенную деталь, но и сделать ее более износостойкой.
Первоначальные формы и размеры деталей разнообразных конфигураций, имеющих износ, механические или термические повреждения, можно восстанавливать слесарно-механической обработкой, механической обработкой, сваркой или наплавкой, электролитическим наращиванием, наращиванием полимерными пленками, металлизацией и электроискровой обработкой, а также с помощью эпоксидных смол.
При восстановлении деталей сваркой может потребоваться обработка их на станке как подготовительная операция. После сварки, как правило, требуются обработка деталей на металлорежущих станках и термическая или химико-термическая обработка.
При восстановлении деталей могут применяться различные виды сварки — электродугсвая, газовая, контактная. Сварка может быть ручной, полуавтоматической, автоматической и выполняться в различных защитных средах (под флюсом, в жидкости, в среде защитного газа).
Наиболее прогрессивным методом электродуговой сварки, применяемым при ремонте деталей, является метод вибродуговой наплавки деталей. Из различных видов контактной сварки при ремонте деталей гидропередач применяют газопрессовую сварку, позволяющую надежно сваривать углеродистые, легированные и разнородные стали.
При ремонте алюминиевых деталей используется сварка и наплавка в среде аргона (сварка в среде защитного газа). Из гальванических методов наращивания наиболее новым методом является гальваническое осталивание.
Наиболее характерными методами восстановления деталей гидравлических передач являются вибродуговая наплавка, газопрессовая сварка, сварка алюминиевых деталей, хромирование и осталивание.
Вибродуговая наплавка. Метод вибродуговой наплавки сравнительно прост, не требует сложного оборудования, дефицитных материалов, позволяет наплавлять слой металла толщиной 0,5 — 4,0 мм на изделиях диаметром 8 мм и выше, что очень важно при ремонте мелких деталей, имеющих незначительный износ. Наиболее эффективно применение вибродуговой наплавки для деталей с износом 0,3 — 2,5 мм на сторону. При этом вследствие небольших тепловых воздействий дуги и больших скоростей охлаждения деталь не испытывает деформации, а твердость может быть доведена до ЬЩС 50—58 без последующей термической обработки. Опыт работы многих ремонтных заводов показал, что износостойкость восстановленных деталей не меньше износостойкости новых.
За счет автоматизации процесса, снижения толщины наплавленного слоя, выборочной наплавки (наплавляются только те участки, где имеется износ) трудоемкость вибродуговой наплавки в 2,5—3 раза ниже, чем ручной дуговой.
Сущность процесса вибродуговой наплавки заключается в том, что в результате возникновения периодически повторяющихся электрических разрядов выделяется тепло, нагревающее основной и электродный металл до расплавления. Происходит перенос металла электрода на деталь и последующая кристаллизация расплавленного основного и электродного металла.
Принципиальная схема установки для вибродуговой наплавки приведена на рис. 30. В патроне или центре станка закрепляют деталь 3, а на суппорте станка устанавливают вибродуговую головку. К детали и головке подводят ток низкого напряжения. С помощью роликов 1 электродную проволоку 2 подают к детали. Конец проволоки вибрирует в результате действия вибратора.
При вибрации электрода вследствие его прикосновения к наплавляемой детали наблюдается короткое замыкание, сила тока возрастает, а напряжение падает. При отходе электрода от детали за счет энергии магнитного поля образуются экстротоки, резко повышается напряжение и загорается электрическая дуга. Длительность горения дуги 0,002 — 0,003 с. В течение каждого цикла наблюдаются периоды: короткое замыкание, электрический разряд.
При вибродуговой наплавке необходимо обеспечить четкую вибрацию электрода, что позволяет систематически замыкать и размыкать электрод с деталью и дает возможность наплавлять металл при низком напряжении источника тока, стабилизирует процесс наплавки при малом напряжении.
С целью защиты расплавленного металла от взаимодействия с окружающей средой вибродуговую наплавку можно выполнять под флюсом, в среде защитных газов. Большое распространение получила наплавка с применением жидкости. Жидкость, подаваемая в зону контакта, обеспечивает защиту жидкого металла и закалку наплавленного слоя, охлаждает наплавляемую деталь и уменьшает зону термического влияния. Обычно в качестве охлаждающей жидкости используют 4—5-процентный раствор кальцинированной соды в воде. При наплавке проволокой с высоким содержанием углерода для предотвращения образования трещин можно применять 10—30-процентный раствор технического глицерина в проточной воде.
При восстановлении ответственных деталей используют вибродуговую наплавку с применением ультразвука. Ультразвук, воздействуя на металл в жидкой фазе, обеспечивает равномерность структуры, повышает твердость и износостойкость, увеличивает прочность детали.
Перед вибродуговой наплавкой детали очищают от ржавчины, грязи, масла, нагара металлической щеткой, наждачной шкуркой или подвергают пескоструйной обработке. Детали, имеющие большой односторонний износ, рекомендуется протачивать или шлифовать. Отверстия, шпоночные пазы заделывают медными или графитовыми заглушками, химическими твердеющими смесями. При установке деталей в патрон или центры биение их должно быть минимальным. Проверяется биение визуально по изменению расстояния между концом электрода и поверхностью вращающейся детали.
Расчет режима наплавки выполняется в зависимости от толщины наплавляемого слоя:
Толщина наплавляемого слоя, мм 0,3—0,9 1,0—1,5 1,6—2,5
Диаметр электродной проволоки, мм 1,6 2,0 2,5
Сила сварочного тока
1 д эл>
где а — плотность тока, которая берется 50—75 А/мм2 (для меньшего диаметра проволоки выбирается большая плотность);
Аэл — площадь поперечного сечения электродной проволоки, мм2.
Рис. 30. Принципиальная схема установки для вибродуговой наплавки:
1 — ролики; 2 — проволока; 3 — деталь; 4 — источник тока; 5 — дроссель
Наплавку ведут при обратной полярности тока («плюс» — на электрод), что обеспечивает лучшее качество наплавленного слоя. Напряжение на дуге должно быть 14—30 В. При напряжении ниже 14 В уменьшается тепловое воздействие дуги на металл, наблюдается непровар. Если же напряжение выше 30 В, то происходит разбрызгивание и выгорание электродного металла, значительно увеличивается зона термического влияния и деформация деталей. Для наплавки тонкостенных деталей небольшого диаметра, где нежелателен значительный нагрев детали, применяют напряжение 14—16 В. Крупногабаритные детали с износом 1,5—3 мм наплавляют при напряжении 24—28 В. При наплавке на переменном токе напряжение берут на 10—15% больше, чем на постоянном.
Оптимальные значения индуктивности зависят от частоты вибрации электрода, напряжения на дуге, силы тока в цепи и других факторов. При малой индуктивности появляется холостой ход в каждый период вибрации электрода, снижается устойчивость процесса наплавки, а при слишком большой нарушается стабильность процесса наплавки и увеличивается разбрызгивание металла. Поэтому величину дополнительной индуктивности в каждом отдельном случае приходится определять экспериментально или рассчитывать по формуле
где у — плотность материала проволоки, г/см3;
) — частота размыкания цепи электродом в секунду;
1 — максимальная сила тока в сварочной цепи, А, ее берут в два раза больше значения силы тока по амперметру; vgл — скорость подачи электродной проволоки, мм; л — диаметр электродной проволоки, мм.
При применении сварочных преобразователей тока необходимость в дополнительной индуктивности отпадает, так как сам источник питания имеет достаточную индуктивность.
Скорость подачи проволоки зависит от мощности источника питания и диаметра электродной проволоки
где 1 — сила тока сварочной цепи, А;
11 — напряжение сварочной цепи, В; с?эл — диаметр электродной проволоки, мм.
С увеличением скорости подачи проволоки растет производительность наплавки, но одновременно повышаются потери электродного металла, ухудшается чистота слоя. Поэтому с уменьшением толщины наплавляемого слоя скорость подачи уменьшают.
Линейная скорость (скорость вращения) наплавляемой детали связана со скоростью подачи электрода. Отношение -^4-, как видно из г дет графика на рис. 31, можно применять в пределах 1,5—2,5, т. е. идет =
= (0,3 ч- 0,7) оэл. С увеличением диаметра проволоки область допу-
<¦> ^ЭЛ
стимого отношения скоростей -—
идет увеличивается.
По линейной скорости и диаметру детали можно определить частоту вращения детали
Рис. 31. Допустимые пределы изме нения отношения скоростей -^3 для
^дет различных диаметров электродной проволоки где П — диаметр детали, мм.
Амплитуду колебаний электрода выбирают равной (0,7 ч-1,0) йвя.
Меньшим значениям напряжения на дуге соответствует меньшее значение амплитуды колебания проволоки. Вылет электрода устанавливается 10—12 мм. Для высокоуглеродистой проволоки вылет электрода должен быть больше, чем для низкоуглеродистой.
Шаг наплавки определяется шириной наплавленного валика и принимается равным 1,6 — 2,2 йэл мм/об. С увеличением шага улучшается сплавление наплавленного металла с основным, уменьшается тепловое воздействие на деталь, повышается твердость наплавленного слоя. Однако при чрезмерно большом шаге появляются впадины между валиками и, как следствие ухудшается чистота слоя. С уменьшением шага наплавки валики плотно наслаиваются один на другой, а сплавление с основным металлом ухудшается, снижается твердость слоя, увеличивается нагрев детали.
В зависимости от конструкции вибродуговых головок применяется боковой или верхний подвод проволоки к детали, но в обоих случаях направление вибрации электрода должно быть перпендикулярным к касательной в точке подхода электрода к детали (рис. 32). Благоприятно
Рис. 32. Схема подвода проволоки к детали: а — бокового; б *— верхнего; 1 — деталь; 2 — электрод влияет на перенос металла, чистоту наплавляемого слоя уменьшение угла у (между осью проволоки и направлением вибрации). При вибро-дуговой наплавке под слоем флюса целесообразно сместить электрод от зенита детали на 2—7 мм в сторону, противоположную направлению вращения детали.
Марку проволоки выбирают в зависимости от требуемых свойств наплавленного слоя. Для получения поверхности с твердостью НВ 180—300 используют сварочную проволоку СВ-08. Более высокая твердость и износостойкость наплавленного слоя достигается применением высокоуглеродистой и легированной проволоки марок ПК, НП-40, НП-60, НП-80, ЗОХГСА, 12Х, 65Г и др. Однако следует иметь в виду, что при наплавке легированной и высокоуглеродистой проволокой увеличивается склонность к образованию трещин при закалке.
Для восстановления ответственных деталей вибродуговой наплавкой под слоем флюса или в среде углекислого газа применяют порошковую проволоку марок ПП-ЗХ2В8, ПП-Х12ВФ, ПП-4Х2В8Т, ПП-АН-1, ПП-АН-3 и др.
Детали после вибродуговой наплавки подвергают механической обработке на токарных или шлифовальных станках. Детали, наплавленные высокоуглеродистой или легированной проволокой, обычно шлифуют. Вместо шлифования можно применять электромеханический способ обработки.
Для повышения чистоты обработки, твердости, усталостной прочности после вибродуговой наплавки и предварительной механической обработки наплавляемые детали можно подвергать упрочнению накаткой. После упрочнения накаткой усталостная прочность деталей повышается на 15—35%.
К основным дефектам вибродуговой наплавки относятся низкая твердость и чистота наплавленного слоя, несплавление между основным и наплавленным металлом, трещины, газовые поры, шлаковые включения, деформация наплавленных деталей. Контроль качества наплавленного слоя проводится в соответствии с требованиями технических условий на восстановление соответствующих деталей.
Внешним осмотром устанавливается чистота наплавленного слоя, наличие крупных трещин, открытых пор. Внешний осмотр сопровождается измерением и определением степени деформации восстановленной детали.
На приборах-твердомерах после чистовой обработки наплавленного слоя определяют твердость.
Наличие в слое трещин, газовых пор, шлаковых включений можно выявить методом травления шлифованной поверхности наплавленного слоя 10—20-процентным водным раствором азотной кислоты, а также методом магнитной дефектоскопии, используя магнитоэлектрические дефектоскопы МЭП, М-217 и др.
Для более полной оценки качества наплавки применяется металлографический анализ, позволяющий не только обнаружить внутренние дефекты в наплавленном слое и зоне термического влияния (непровары, трещины, газовые раковины, шлаковые включения), но и определить их размеры, установить место расположения. Металлографиче ский анализ позволяет установить характер макро- и микроструктуры наплавленного слоя и зоны термического влияния.
Для выявления внутренних дефектов широкое распространение получил метод ультразвуковой дефектоскопии.
Газопрессовая сварка. В практике машиностроения и ремонтного производства газопрессовая сварка углеродистых сталей стала применяться в СССР с 1946 г. Однако газопрессовая сварка легированных сталей до последнего времени не была изучена и потому не производилась.
Ввиду все большего применения конструкционных легированных сталей на железнодорожном транспорте встал вопрос об исследовании сварки легированных сталей, отработке оптимальных режимов сварки и термообработки и внедрении ее в производство. Положительный опыт газопрессовой сварки деталей из углеродистой легированных и разнородных сталей накоплен на Даугавпилсском, Воронежском, Смелян-ском ремонтных заводах МПС.
При постройке гидропередач в основном применяются хромоникелевые, хромистые, хромокремнистые и хромомарганцовистые стали.
Детали гидропередач, имеющие местный износ или повреждения в пределах, допускаемых правилами ремонта, ремонтируются посредством восстановления изношенных мест наплавкой или гальваническим наращиванием с последующей механической обработкой. Если местный износ или повреждение детали выходит за допускаемые размеры, то она должна быть заменена новой или же отремонтирована путем замены изношенной части. В последнем случае изношенная часть детали отрезается и взамен ее приваривается новая с последующей обработкой по чертежу и техническим условиям.
При ремонте деталей гидропередачи как в заводских, так и в деповских условиях наиболее рационально применять газопрессовую сварку в пластическом состоянии металла.
Сварка в пластическом состоянии обеспечивает высокое качество, так как в этом случае по месту сварки не возникает дефектов, связанных с переходом металла из твердой фазы в жидкую и обратно: усадочных, раковин, газовых пор, рыхлости и трещин.
При газопрессовой сварке все параметры (величина осадки, усилие прессования, амплитуда колебания горелки, давление горючего газа и кислорода) легко управляемы и постоянно контролируются; длина свариваемой детали может быть легко выдержана, так как ее осадка может быть точно отрегулирована ввиду того, что производится безударно, на строго заданную величину. Положительным при газопрессовой сварке является и то, что процесс ведется под защитой газового пламени регулируемого состава.
Газопрессовая стыковая сварка в пластическом состоянии металла является наиболее приемлемой для сварки валов и других деталей гидропередачи, изготовленных из легированных сталей, так как дает соединение высокого качества, не требует сложного дорогостоящего оборудования и материалов.
Метод газопрессовой сварки в пластическом состоянии металла заключается в соединении свариваемых частей, нагретых в месте их стыкования до 1150—1200° С (для стали) и подвергаемых постоянному сдавливанию.
Подготовленные к сварке два стержня (рис. 33, а) зажимают в захватах станка, центрируют и усилием Р, передаваемым подвижным захватом, сжимают друг с другом ( рис. 33, б). После этого место стыка нагревают пламенем газокислородной многопламенной горелки, в патрубки которой К и Л подают кислород и горючий газ. Для равномерного нагрева свариваемых частей и предотвращения оплавления поверхности металла горелку приводят в колебательное движение (рис. 33, в, г). Чтобы не допускать перегрева горелки, через патрубки В подводят и отводят охлаждающую воду.
При нагреве металла до пластического состояния концы свариваемых частей под действием сил Р осаживаются, в месте сварного стыка появляется утолщение ( рис. 33, д). Процесс продолжается до тех пор, пока осадка под действием силы Р не достигнет заданной величины.
В гидравлических передачах тепловозов наиболее металлоемкими деталями, изготовляемыми из легированных сталей, являются валы. Вместе с тем они, имея круглое сечение, являются наиболее технологичными для восстановления или изготовления вновь с помощью газопрессовой сварки.
Для экономии дорогостоящих легированных сталей большое значение может иметь применение газопрессовой сварки не только для восстановления изношенных деталей, но и для изготовления новых деталей из разнородных сталей. Например, шлицевые валы гидропередачи изготовляют из сталей 38ХС и 45ХН для того, чтобы обеспечить более высокую долговечность быстроизнашиваемой шлицевой части вала. В то же время остальная часть вала, как правило, работает в менее напряженных условиях и может быть выполнена из простой углеродистой стали.
Для обеспечения высококачественного соединения свариваемых частей при газопрессовой сварке необходимо строгое соблюдение режима сварки, который характеризуется мощностью пламени и амплитудой колебания горелки, усилием прессования, величиной осадки. Температура при газопрессовой сварке является одним из важнейших факторов, влияющих на механические свойства металла и его пластичность. В зависимости от температуры нагрева свариваемого металла идут процессы диффузии, аллотропические превращения, изменения величин зерна, окислительно-восстановительные и другие процессы и явления, влияющие на качество сварки. Температура нагрева зависит от мощности пламени горелки, которая под-
Рис. 33. Схема газопрессовой сварки бирается таким образом, чтобы процесс сварки шел быстро, но без перегрева поверхностных слоев металла, с обеспечением равномерного нагрева металла по всему сечению свариваемого изделия.
Важную роль в обеспечении качества сварного соединения играет давление прессования. Давление обеспечивает плотное прилегание стыкуемых поверхностей, разрушает пленки окислов и загрязнений, вызывает пластическую деформацию, в процессе которой происходит рекристаллизация в зоне сварки. Рекристаллизация ведет к образованию новых кристаллов, что является основой механизма свариваемых частей.
Давление прессования существенно влияет на процессы адгезии (схватывания) и диффузии, имеющие место при газопрессовой сварке в пластическом состоянии. Обеспечивая плотное прилегание стыкуемых поверхностей, оно препятствует образованию и росту микропор, создает лучшие условия для роста зерна и улучшает процесс схватывания.
Однако повышение давления прессования вызывает увеличение деформации кристаллической решетки стыкуемых участков металла и тем самым препятствует процессам диффузии, замедляет их. Чрезмерное повышение давления вызывает ускоренную деформацию, при этом сварка завершается в момент, когда металл еще не нагрет до нужной температуры, что ведет к низкому качеству сварного соединения.
Повышение температуры и увеличение давления прессования создают предпосылки для усиления деформации металла, а величина амплитуды колебания горелки влияет на величину объема разогреваемого до пластического состояния металла и степень равномерности прогрева металла по всему свариваемому сечению. Объем нагретого металла определяет объем деформируемого при осадке металла и должен быть выбран таким, чтобы при сварке не получилось продольного изгиба свариваемых деталей, что может быть при больших амплитудах. При малой амплитуде колебания горелки внутренние слои металла не нагреются до нужной температуры и сварка не произойдет. Нагрев металла не должен быть слишком сосредоточенным, что зависит от мощности горелки и амплитуды колебания.
Нагрев и деформация в малом объеме могут вызвать непровар ввиду того, что нагретый до пластического состояния металл будет как бы выдавлен усилием прессования до соприкосновения с непрогретым до нужной температуры металлом. При высокой температуре и малом объеме нагретого металла деформация происходит так, что вызывает резкий поворот волокон. В таком случае механические свойства металла в месте стыка снижаются. На степень поворота волокон прокатки также влияет деформация металла, зависящая от величины осадки, которая является одним из основных параметров в технологии газопрессовой сварки и наряду с температурой и удельным давлением прессования определяет качество сварного соединения.
Механические свойства прокатанных и кованых сталей поперек волокон значительно ниже, нежели вдоль волокон. Поэтому деформация металла свариваемых изделий в зоне осадки должна быть такой, чтобы не допустить резкого поворота (искривления) волокон прокатки по отношению к продольной оси изделия. Это обстоятельство должно учитываться при выборе величины осадки свариваемого изделия, амплитуды колебания горелки.
Однако чрезмерное увеличение объема нагретого до пластического состояния металла также нежелательно, так как при этом увеличивается зона термического влияния, продолжительность сварки, снижается производительность, растет расход газов.
Качество сварки в значительной степени зависит от качества подготовки стыкуемых поверхностей. Степень перпендикулярности поверхности к продольной оси свариваемого изделия, класс шероховатости обработки, наличие окисных пленок и загрязнений существенно влияют на процесс диффузии, адгезии, на весь механизм получения неразъемного соединения.
Установлено, что с повышением класса шероховатости и уменьшением загрязнений и окисных пленок качество сварки улучшается. Однако имеются сведения, что излишне высокая чистота стыкуемых поверхностей приводит к снижению пластичности и вязкости металла сварного соединения. Необходимый класс шероховатости стыкуемых поверхностей, как правило, обеспечивается обработкой на металлорежущих станках, окисные пленки и загрязнения удаляются механическим путем и промывкой растворителями.
В процессе газопрессовой сварки металл нагревается до высоких температур, близких к линии ликвидуса, следовательно, претерпевает структурные изменения, которые происходят не только в месте сварки, но и во всем нагреваемом объеме и выражаются в росте зерна металла.
Для измельчения зерна, снятия внутренних напряжений, выравнивания структуры применяют термическую обработку, в результате которой улучшаются структура и механические свойства металла в месте стыка и в зоне термического влияния.
Проведенными исследованиями свойств металла сварных соединений деталей, изготовленных из сталей 20ХНЗА, 12ХНЗА, 45ХН и 38ХС, установлено, что оптимальным режимом газопрессовой сварки, обеспечивающим требуемое качество сварного соединения, является следующий:
Давление горючего газа на входе в горелку 0,35 кгс/см2
Давление кислорода……… 5,0 »
Удельное давление усилия прессования.. 1,5—1,75 кгс/мм2
Величина осадки……….. 0,4-г0,5 с1
Размах колебания горелки……. 0,5 й
Здесь й — диаметр свариваемого вала.
На этих же режимах сваривают разнородные конструкционные стали — углеродистые с хромоникелевыми.
При газопрессовой сварке однородных углеродистых и легированных сталей горелка перед зажиганием и включением колебательных движений устанавливается по стыку. При таком расположении горелки при сварке разнородных сталей (углеродистая плюс хромоникелевая) шов как бы смещается от наибольшего диаметра сварочного утолщения в сторону части из легированной стали, что является неже лательным. Для того чтобы обеспечить расположение шва в месте максимального диаметра утолщения, горелку нужно выставлять с некоторым смещением в сторону из легированной стали. Величина смещения должна быть равной 0,05 — 0,07 d свариваемого вала.
При сварке углеродистых сталей давление газов принимается таким же, как и при сварке легированных сталей.
Не отличаются и удельное давление осадки и размах колебания горелки. Величина осадки принимается 0,ЗД
Сварка деталей производится на станках СГП-8У и МГП-11 (рис. 34) с помощью горелок МГ-10ПГ, МГ-18ПГ и МГ-25ПГ. В качестве горючего газа в последнее время, кроме ацетилена, применяется природный газ или пропанбутановая смесь. Пламя горелки регулируется таким образом, чтобы в нем не было избытка кислорода. Контроль качества сварки осуществляется проверкой качества подготовки деталей под сварку и соблюдения режима сварки.
При сварке углеродистых сталей сварную деталь охлаждают в станке до 400—450° С, затем снова зажигают горелку, включают механизм колебания ее и нагревают место сварки до 880—900°. После этого деталь охлаждается на воздухе.
Термообработка металла сварного соединения деталей из легированных сталей (20ХНЗА, 40Х, 45Х, 45ХН, 38ХС) заключается в местной нормализации нагревом горелкой, а также может проводиться улучшение, т. е. закалка с последующим отпуском. Нагрев под закалку и отпуск можно осуществлять пламенем горелки или в электрических печах. Температура нагрева и среда охлаждения выбираются по типовым режимам термообработки той или иной легированной стали.
После термообработки сварных деталей производится механическая обработка с соблюдением чертежных размеров и технических условий.
Сварка и наплавка деталей из алюминиевых сплавов. Ряд деталей гидропередач тепловозов изготовляется из алюминиевых сплавов. К ним относятся, например, торы и уплотнительные диски унифицированной гидропередачи, турбинные и насосные колеса гидропередачи Л-60, колеса направляющего аппарата и др. Торы и уплотнительные диски изнашиваются по уплотняющим поверхностям, а турбинные и насосные колеса — по торцовым поверхностям за счет сближения
Рис. 34. Машины для газопрессовой сварки МГП-11
колес в процессе эксплуатации. Указанные детали изготовляют из алюминиевого сплава марки АЛ-4 (ГОСТ 2685—63).
Алюминиевые сплавы обладают специфическими свойствами, которые обусловливают сравнительную сложность осуществления процессов их сварки и наплавки. Существенные затруднения возникают в связи с наличием на сплавах окисной пленки. Обладая высокой температурой плавления, окисная пленка не расплавляется в процессе сварки и покрывает металл, затрудняя образование общей сварочной ванны и сплавление ее с основным металлом, и попадая в шов, становится неметаллическим включением. Будучи малопластичной, окисная пленка внутри шва может способствовать образованию трещины.
Окисную пленку удаляют перед началом производства сварочных или наплавочных работ механическим или химическим способами. Но ограничиться лишь этими способами невозможно из-за высокой химической активности алюминиевых сплавов—на воздухе пленка мгновенно образуется вновь. Необходимо разрушить и удалить окисную пленку в процессе самой сварки или наплавки деталей. Это достигается применением дуговой сварки с неплавящимся вольфрамовым электродом в среде защитных газов.
Разрушение и удаление из сварочной ванны окисной пленки под действием дуги происходят в те полупериоды, когда деталь является катодом. Движущиеся с большой скоростью положительные ионы бомбардируют поверхность сварочной ванны, разрушают пленку, оттесняя ее к краям сварочной ванны, путем так называемого катодного распыления. Для того чтобы предупредить дополнительное окисление металла сварочной ванны, а при высоких температурах окисление происходит весьма интенсивно, применяется защитная среда в виде потока в сварочную ванну инертного газа аргона.
При сварке алюминия наблюдается также образование пористости в наплавленном металле. Основной причиной появления пор является присутствие водорода. В отличие от других газов водород обладает способностью растворяться в алюминии, т. е. поглощаться и удерживаться в объеме металла. Главным источником проникновения водорода в металл является влага, которая может быть в атмосфере, в защитном газе, в поверхностной окисной пленке. Образованию пор способствует также водород, уже растворенный в металле детали и сварочной проволоке.
По мере остывания наплавленного слоя растворимость водорода в металле резко падает, поэтому он стремится выделиться в виде газовых пузырей. Пока позволяет вязкость металла, эти пузыри всплывают. После кристаллизации не успевшие всплыть газовые пузыри остаются в металле в виде неплотностей — газовой пористости.
Для уменьшения пористости следует прежде всего строго соблюдать тепловой режим наплавки и сварки. Детали большой толщины и крупногабаритные перед наплавкой и сваркой следует подогревать, с тем чтобы увеличить продолжительность существования жидкой ванны и этим самым создать условия для наиболее полного выделения водорода из металла. Детали малой толщины следует, наоборот, охлаждать в процессе наплавки или сварки, с тем чтобы увеличить скорость кри сталлизации металла шва. Это достигается, например, путем наплавки детали, уложенной на массивную медную подкладку.
Следующей особенностью алюминиевых сплавов является склонность наплавленного металла к образованию трещин. Основной причиной появления трещин следует считать деформации в металле шва в период его кристаллизации в результате неравномерного распределения температур. К трещинообразованию склонны детали крупногабаритные и сложной конфигурации. Для предупреждения появления трещин могут быть приняты как технологические, так и металлургические меры.
К технологическим мерам прежде всего следует отнести правильный выбор температурных режимов. Для более равномерного распределения температуры во время сварки и наплавки деталь вначале подогревают до 200—300° С. После окончания сварки или наплавки такие детали устанавливают в термостаты, где происходит их медленное охлаждение. Термостат может представлять собой металлический ящик с плотно закрывающейся крышкой, в котором исключается любое движение воздушной массы и обеспечивается равномерное охлаждение детали по всей поверхности. Появление трещин можно предотвратить также правильным выбором порядка нанесения валиков при наплавке или же выбором определенной схемы заполнения разделки шва.
Наиболее эффективной металлургической мерой предотвращения трещин является правильный выбор присадочного металла. Лучшей в этом отношении присадочной проволокой является проволока типа Св-АК5.
Для производства наплавочных и сварочных работ на деталях из алюминиевого сплава широко применяются специализированные электросварочные установки типа УДАР, с помощью которых производится сварка или наплавка неплавящимся электродом в среде защитного газа переменным током (рис. 35).
Существуют установки УДАР-300 и УДАР-500, у которых соответственно номинальный сварочный ток 300 и 500 А. В настоящее время промышленность выпускает более совершенные установки типов УДГ-300 и УДГ-500. Установка УДАР-300 состоит из источника питания (трансформатора с дросселем), шкафа управления, головок и газового баллона с редуктором. Однофазный понижающий трансформатор служит для получения напряжения 60—65 В, необходимого для возникновения и поддержания электрической дуги. В момент горения дуги при сварочном токе 300 А напряжение дуги 17—18 В, при токе 100 А — 25 В.
Дроссель насыщения служит для регулирования сварочного тока. Он имеет две ступени регулирования, переключение которых производится путем перестановки перемычек на доске зажимов дросселя. В пределах каждой ступени регулирование тока плавное.
В шкафу управления размещены основные узлы электрической схемы установки, важнейшими из которых являются:
стабилизатор горения дуги—устройство, обеспечивающее устойчивое горение дуги;
сварочный контактор для подключения первичной обмотки сварочного трансформатора к сети;
феррорезонансный стабилизатор напряжения, обеспечивающий надежную работу стабилизаторов горения дуги при понижении напряжения сети;
осциллятор предназначен для возбуждения дуги без замыкания электрода на деталь;
батарея конденсаторов, включенная последовательно в сварочную цепь, для компенсации постоянной составляющей сварочного тока;
газовый клапан, который обеспечивает подачу аргона в зону дуги за 0,15 — 3,8 с до начала сварки и прекращение подачи аргона после окончания сварки через 2—5,5 с.
Установка УДАР-300 имеет сварочные головки двух размеров, УДАР-500 — трех размеров, рассчитанные на сварку различным током. На практике указанных типоразмеров головок недостаточно для наплавки и сварки деталей сложной конфигурации. Появляется необходимость в изготовлении горелок специальных типов и размеров.
Головки (рис. 36) представляют собой металлический корпус, в котором укрепляется цанга для зажима вольфрамового электрода. Цанги делаются съемными для установки электродов различного диаметра (от 2,1 до 6,1 мм). На корпус надевают керамическое кристаллокорундовое сопло. Сопла также съемные с различным внутренним диаметром для прохода вольфрамового электрода и аргона. К корпусу прикреплена полая рукоятка, изолированная от токоведущих частей и от корпуса. Внутри рукоятки проходят резиновые шланги для подвода и отвода охлаждающей воды, а также токопровод.
Подготовка к сварке деталей и сварочной проволоки сводится к удалению с их поверхности окисной пленки, влаги, загрязнений.
Присадочная проволока разматывается из бухты и разрезается на стержни необходимой длины. После этого очищается от консервацион-
Рис. 35. Схема установки УДАР:
1 — сварочная горелка; 2 — баллон с аргоном; 3 — редуктор; 4 — шкаф управления; 5 — дроссель насыщения; 6 — трансформатор; 7 — токопровод ной смазки в горячей воде (температура 80—90° С), затем производится ее химическая обработка по следующей технологии:
а) травление в 5-процентном растворе каустической соды ЫаОН при 60° С в течение 2 мин:
б) промывка в холодной воде в течение 20 мин;
в) осветление в 15-процентном растворе азотной кислоты при 60—
65° С в течение 2 мин;
г) промывка в теплой воде, затем в холодной проточной воде;
д) сушка при температуре не ниже 60° С до полного удаления влаги.
Очищенную проволоку можно брать только в чистых рукавицах, чтобы не загрязнить и не нанести на поверхность проволоки жировых пятен.
Химически обработанная и высушенная сварочная проволока не всегда может быть сразу же использована для наплавки и сварки. Со временем она покрывается все более толстым слоем окисной пленки, что недопустимо, поэтому хранить ее необходимо в специальном плотно закрывающемся шкафу или ящике. Срок хранения обработанной проволоки диаметром 4—5 мм обычно устанавливается до трех суток.
Поверхность алюминиевых деталей под наплавку желательно обрабатывать химическим путем подобно обработке сварочной проволоки. Если же это не выполнимо, то можно применить и механический способ. Поверхность деталей при этом предварительно протирают ацетоном или уайт-спиритом до полного удаления жировых остатков, а затем очищают в зависимости от габаритов и конфигурации деталей обработкой на станке или вручную с помощью металлических щеток и шаберов.
Технология разделка трещин при сварке деталей из алюминиевых сплавов аналогична технологии при разделке трещин в стальных деталях. Форма разделки должна быть со скругленными кромками. Предпочтение следует отдавать двусторонней разделке трещин. Трещины в стенках деталей толщиной до 6 мм заваривают без разделки.
Приступая к наплавке или сварке, необходимо прежде всего установить режим сварочного тока и подготовить сварочную головку. При наплавке толстостенных деталей сварочный ток устанавливают 250 — 300 А, тонкостенных 130 — 180 А и менее. В процессе наплавки ток корректируется.
Диаметр вольфрамового электрода выбирают в зависимости от применяемой силы сварочного тока. При силе тока 50 — 150 А применяют электрод диаметром 2—3 мм; при 150 — 210 А — 4 мм и при 210 — 300 А — 5—6 мм. Вольфрамовый электрод зажимают в цанге головки
Рис. 36. Схема горелки:
1 — вольфрамовый электрод; 2 — цанга; 3 — корпус; 4 — колпачок; 5 — рукоятка; 6 — сопло таким образом, чтобы вылет его от кромки сопла составлял 3—6 мм в зависимости от диаметра электрода.
При наплавке ось головки должна быть наклонена в сторону, противоположную направлению наплавки на угол 15 — 20°. Угол между осью вольфрамового электрода и присадочным прутком должен составлять примерно 90° (рис. 37).
Наплавку производят таким образом, чтобы каждый предыдущий валик находился в зоне действия защитного газа.
При заварке глубоких трещин возникает необходимость многослойного наложения швов. В этом случае для предотвращения возникновения несплошностей в сварочном шве следует каждый предыдущий валик тщательно очищать металлической щеткой от окисной пленки и шлаковых отложений.
При восстановлении алюминиевых деталей наплавкой валики наплавляемого слоя нужно располагать таким образом, чтобы уменьшить деформацию восстанавливаемой детали.
Контроль качества сварки осуществляется внешним осмотром, лабораторными испытаниями образцов, гидравлическим испытанием.
Хромирование. Хромирование занимает преимущественное место из числа известных методов восстановления деталей, так как дает возможность одновременно с восстановлением размеров повысить надежность работы и срок службы деталей.
Хромовые покрытия обладают высокой твердостью, износостойкостью, низким коэффициентом трения, свойством прочно сцепляться с основным металлом, химической и термической стойкостью.
Для восстановления изношенных деталей применяется износостойкое хромирование, при котором толщина слоя хрома не должна превышать 0,13—0,15 мм, она должна быть одинаковой по всей поверхности покрытия. Твердость электроосажденного хрома в зависимости от условий электролиза может изменяться от НВ 400 до 1200.
Износостойкость хромового покрытия характеризуется сроком службы его при работе на трение. Высокая твердость, низкий коэффициент трения, жаростойкость и коррозионная стойкость способствуют получению высокой износостойкости покрытия.
При ремонте гидропередач тепловозов методом хромирования восстанавливают шейки валов, ступицы шестерен, втулки и другие детали.
Перед хромированием вез детали подвергают механической и химической обработке. При износостойком хромировании поверхность детали шлифуют. Шероховатость поверхности должна соответствовать 9—10-му классу.
Участки деталей, не подлежащие хромированию, а также под
Рис 37 Схема дуговой наплавки в среде аргона 1 — сварочная ванна, 2 — присадочный пруток, 3 — горелка, 4 — наплавленный ме талл вески, за исключением мест контакта, изолируют. В качестве изолирующих материалов применяют цапон-лак, нанося его в 2—3 слоя, пластикат, целлулоид, плексиглас, винипласт, хлорвиниловые трубки, перхлорвиниловый лак.
Для получения хорошего сцепления хромового покрытия с основным металлом необходимо, чтобы деталь была тщательно очищена от жировых загрязнений. Для предварительной очистки деталей, загрязненных минеральными маслами, применяют органические растворители: бензин, керосин, уайт-спирит, хлорированные улеводороды и др. Затем детали подвергают электролитическому обезжириванию в ванне со следующим составом электролита (г/л): каустическая сода — 20 — 30, кальцинированная сода — 30 — 40, тринатрийфосфат — 5—10.
Процесс ведется при 60—70° С и плотности тока 5—10 А/дм2. Время обработки деталей 5—6 мин, из них 4—5 мин на катоде и 1— 2 мин на аноде.
После обезжиривания детали тщательно промывают в горячей и холодной воде во избежание загрязнения ванны хромирования щелочью.
Хромирование производится в ванне, имеющей двойные стенки, промежуток между которыми заполнен паро-водяной смесью для поддерживания требуемой температуры электролита. Для удаления газов и паров предусмотрена бортовая вентиляция. Внутренние стенки ванны футеруются свинцом или винипластом. Ввиду низкой теплопроводности винипласта обогрев и охлаждение электролита осуществляются с помощью змеевика из свинцовых или титановых труб.
Для восстановления размеров изношенных деталей и для получения твердых осадков хрома значительных толщин применяются разбавленные (150 г/л Сг03 и 1,5 г/л Н2304) и универсальные (250 г/л Сг03 и 2,5 г/л Н2304) электролиты. Плотность тока 35—100 А/дм2, температура 55—60° С.
Рассчитанное количество хромового ангидрида (ГОСТ 2548—62) загружают в ванну и растворяют водой, подогретой до 60—80° С. Затем раствор перемешивают и определяют в нем содержание Сг03 по плотности.
После установления концентрации хромового ангидрида добавляют рассчитанное количество серной кислоты, разливая ее тонкой струей по поверхности электролита и перемешивая.
Для осаждения на катоде доброкачественных осадков процесс осуществляют в электролите, содержащем небольшое количество трехвалентных ионов хрома (2—4 г/л). Для этого прорабатывают ванну током при температуре 45—60° С со свинцовыми анодами, площадь которых в 2—3 раза меньше площади катода.
При хромировании применяют также аноды из сплава свинца с сурьмой (7—8% БЬ).
Перед хромированием детали подвергают анодному декапированию в хромовом электролите. Для того чтобы предупредить возможность образования участков, не покрытых хромом, процесс хромирования начинают с «толчка» тока продолжительностью 2—3 мин, затем плотность тока постепенно снижают до заданной величины.
Одним из эффективных способов увеличения износостойкости и удлинения срока службы деталей является пористое хромирование.
Пористость на хромированной поверхности получается в результате ее обработки на аноде в хромовой кислоте. В процессе хромирования возникают внутренние напряжения в слое хрома, что приводит к образованию микроскопических трещин. При анодной обработке хромированной поверхности трещины становятся шире, углубляются и разветвляются; образуется сетка каналов (канальчатая пористость). При анодном травлении осадков, склонных к образованию очень мелкой сетки трещин, получается пористость точечного типа.
Для пористого хромирования применяется электролит следующего состава: хромовый ангидрид — 230—280 г/л, серная кислота — 2,3—-
2,7 г/л. Процесс ведут при 60 + 2° С и плотности тока 40—60 А/дм2.
Температура электролита оказывает сильное влияние на степень пористости. С ее увеличением ширина каналов пористого хрома возрастает, сетка каналов становится более резкой. Структура пористого осадка хрома зависит как от режима хромирования, так и от анодного травления. Продолжительность анодного травления составляет 6— 10 мин и является одним из наиболее существенных факторов, влияющих на пористость.
В гальванических цехах все более широкое применение находит система автоматического управления хромированием «САУ-хром» (рис. 38).
Качество хромового покрытия независимо от его назначения прежде всего оценивается по внешнему виду. Покрытие должно быть гладким, без дендритов, пригара и вздутий. Качество пористого хрома
определяют оптическим способом с увеличением в 30—100 раз, позволяющим различить вид пор или каналов. Оценка пористости в производственных условиях осуществляется макроисследованием поверхности контролируемой детали и сравнением с эталонными образцами.
Толщина слоя хрома определяется в основном магнитными (ЭТУ, ЭТУ-3) и электромагнитными толщиномерами. При толщине от 0,01 до 0,30 мм используются обычные измерительные инструменты (индикаторные нутромеры, рычажные скобы, микрометры).
Осталивание. Этот метод применяется для восстановления поверхностей неподвижных соединений, трущихся поверхностей деталей из малоуглеродистых сталей и др. Осталиванием восстанавливают, в частности, валы, ступицы, втулки, шестерни, обоймы подшипников и др.
По сравнению с хромированием осталивание имеет ряд преимуществ: достигается более высокая скорость осаждения металла; выход железа по току в 3—6 раз больше, чем при хромировании; металл более равномерно распределяется по поверхности; можно получать осадки большей толщины без промежуточной обработки; стоимость материалов для приготовления и корректирования электролита более низкая. Однако износостойкость таких покрытий значительно уступает хромовым.
Подготовка изделий к осталиванию включает механическую и электрохимическую обработку поверхности. Основной целью механической обработки является получение однородной структуры поверхности, так как наклепанная и деформированная структура может вызвать отслаивание покрытия. Режимы резания при механической обработке должны исключать появление внутренних напряжений в поверхностном слое детали, так как следствием этого может быть как отслаивание осадка, так и снижение усталостной прочности изделий. При наращивании толстых слоев железа обработки деталей производят по 6—7-му классу шероховатости.
Обезжиривание изделий производится в органических растворителях с последующей обработкой в щелочных растворах, химическим и электрохимическим способами.
После обезжиривания детали тщательно промывают горячей и холодной водой и производят травление. Сначала поверхность деталей растравливают в ванне осталивания в течение 1—2 мин при плотности тока 40 А/дм2; затем промывают холодной водой и удаляют с нее шлам в 30-процентной серной кислоте при плотности тока 50 А/дм2.
После травления и промывки производят декапирование химическим способом в ванне для осталивания. Время декапирования подбирают опытным путем для конкретных деталей и условий электролиза. Обычно оно составляет 0,5 — 1 мин.
Для осталивания применяют сернокислые, хлористые и смешанные электролиты. Сернокислые холодные электролиты дают осадки железа повышенной твердости и хрупкости в противоположность горячим, в особенности хлористым, где осаждается более пластичное и мягкое железо.
Для восстановления изношенных деталей гидропередач более целесообразно применять хлористый электролит, так как он прост по составу, стабилен в работе, полученные из этого электролита осадки по своим механическим свойствам не уступают осадкам, полученным из других электролитов. Контроль и корректирование электролита не сложны.
Для предупреждения гидролиза солей железа в электролит вводится соляная кислота. В низко- и среднеконцентрированных электролитах ее содержание доводят до 0,8 — 1,5 г/л, в высококонцентрированных—до 1,5—3 г/л.
Для восстановления деталей гидропередачи можно рекомендовать электролит следующего состава (в г/л): хлористое железо 200, соляная кислота 1—1,5 г/л. Процесс электролиза ведется при 60 ± 1° С.
Сила тока после декапирования устанавливается из расчета, чтобы плотность тока составляла 5—10 А/дм2, затем ее в течение 10—20 мин доводят до величины, соответствующей расчетной плотности тока. При осаждении железа применяют растворимые аноды из малоуглеродистой нелегированной стали. Площадь анодов должна быть приблизительно в 2 раза больше площади катодов. В процессе электролиза не допускаются колебания температуры более чем на +2° С расчетной. Поэтому ванна осталивания должна быть оснащена установкой автоматического регулирования температуры. После осаждения железа детали промывают и нейтрализуют 10-процентным раствором каустической соды в течение 1,5 мин.
При внешнем осмотре осталенных деталей необходимо обращать внимание на блеск, цвет, плотность и гладкость осадков, характер неровностей, отслоения и дендриты. Качество сцепления проверяется ударами молотка. При хорошем сцеплении даже после сильных ударов отслаивания осадков железа не должно быть. Толщину покрытия определяют с помощью стандартного измерительного инструмента.
На рис. 39 показан вал отбора мощности унифицированной гидропередачи с указанием характера износа поверхностей. Вал изготовлен из стали 40Х. Перед осталиванием вал шлифуют для устранения дефектов и обезжиривают уайт-спиритом. Места, не подлежащие осталива-нию, изолируют хлорвиниловой лентой и цапон-лаком. Затем вал закрепляют на подвеске и обезжиривают электрохимическим способом в растворе следующего состава (в г/л): сода каустическая—20—30, тринатрийфосфат— 10—15, жидкое стекло—8—10. Процесс ведется при температуре 60—70° С и плотности тока 8 А/дм2.
После промывки в холодной воде вал подвергают травлению в 30-процентном растворе соляной кислоты в течение 2—3 мин, промывают в холодной и горячей воде и помещают в ванну осталивания с составом (в г/л): хлористого железа—200, соляной кислоты — 1—1,5.
Обработка ведется при плотности тока 40 А/дм2 в течение 2 мин.
После промывки в холодной воде производится снятие шлама с поверхности в 30-процентном растворе серной кислоты при плот
Рис 39 Места повреждений вала отбора мощности гидропередачи УГП 750-1200
а и б — места возникновения задиров, рисок, вмятин при распрессовке шестерни и подшипников, в — место износа вала по уплотнению ности тока 50 А/дм2 в течение 5—8 мин. Затем вал промывают в холодной и горячей воде и завешивают в ванну осталивания, где производится сначала декапирование без тока в течение 1 мин, а затем осталивание.
Осталивание начинается при плотности тока 10 А/дм2, которая в течение 20 мин доводится до 30 А/дм2. При этой плотности тока процесс ведется в течение 2,5—3 ч при износе 0,6 — 0,8 мм.
После осталивания вал промывают в горячей воде, нейтрализуют в 10-процентном растворе каустической соды, вновь промывают в холодной и горячей воде и подвергают обезводораживанию при 30—90° С в сушильном шкафу. Контроль качества производится способами, описанными выше.
Поверхности, восстановленные осталиванием, шлифуют до альбомных размеров.
⇐Износ и освидетельствование деталей | Ремонт гидравлических передач тепловозов | Методы повышения надежности деталей⇒