Влияние накатки роликами на качество. и физико-механические свойства поверхностного слоя деталей

На установке для совмещения процессов наплавки и накатки ро­ликами восстанавливали изношенные поверхности деталей наплав­кой пружинной проволокой второго класса диаметром 1,8 мм под легированным флюсом (флюс АН-348А + 2,5 % графита + 2 % фер­рохрома) на режимах, обеспечивающих хорошее качество металла.

Визуальный осмотр поверхностей деталей (рис. 4.7) показал, что наплавленные с накаткой роликами (усилие 8 кН) имеют более глад­кую поверхность без резких выступов и впадин по сравнению с по­верхностями, наплавленными без ППД роликами.

Как видно из профилограмм (рис. 4.8), с увеличением усилия на­катки неровности наплавки и шероховатость поверхности уменьша­ются. Накатка наплавленного металла опорных и поддерживающих роликов гусеничного хода строительных и дорожных машин позво­ляет исключить последующую механическую обработку.

При накатке горячего наплав­ленного металла роликами с усили­ем 12,5 кН у поверхности наплавки наблюдается нарушение сплошнос­ти металла по границам зерен (на­чало образования микротрещин). При накатке с усилием 15 кН на­блюдается смятие (шелушение) по­верхностного слоя наплавленного ме­талла, микротрещины более крупные. У деталей, накатанных роликами с усилием 7,5… 10 кН, микротрещины на поверхности наплавки не наблю­даются, поры и раковины в наплав­ленном металле отсутствуют.

По макроструктуре образцов, на­плавленных без накатки (рис. 4.9, а) и после накатки (рис. 4.9, 6) видно, что произошло полное сплавление на­плавленного металла с основным. Наплавленный слой металла имеет

Рис. 4.9. Фотографии макроструктур восстановленных образцов (х5): — наплавленные без накатки; б — наплавленные и накатанные роликами с усилием 10 кН

толщину 2,4…2,6 мм, а зона термического влияния распространяет­ся вглубь основного металла на 2,5…2,8 мм при всех исследуемых режимах упрочнения. У образцов, наплавленных без накатки и с накаткой, зона термического влияния одинаковая и состоит из че­редующихся темных и светлых участков.

Наплавленные детали обладают достаточно высокой прочностью сцепления наплавленного металла с основным металлом. У деталей, наплавленных без накатки, она равна 720 МПа, у накатанных с уси­лием 5…10 кН равна 730…750 МПа, а с усилием 12,5…15 кН —

760.. .770 МПа.

Усилие накатки наплавленного металла существенно влияет на поверхностную твердость наплавленного металла (рис. 4.10). При накатке с усилием Р = 5 кН твердость повышается на 3…4 HRC, с Р — 7,5 кН — на 5…6 HRC, а с Р = 10 кН — на 10…12 HRC по сравне­нию с поверхностной твердостью деталей, наплавленных без ППД.

При дальнейшем увеличении усилия на ролики твердость наплав­ленного металла повышается незначительно. У ненакатанных дета­лей по всей глубине наплавленного слоя микротвердость равна

5700.. .6500 Н, а у наплавленных с накаткой роликами она повыша­ется на 1400… 1500 Н.

В результате накатки роликами микроструктура более однород­на по длине детали и глубине нанесенного слоя. Например, металлографическое исследование деталей, наплавленных пружин­ной проволокой второго класса под легированным флюсом без на-

Рис. 4.10. Распределение твердости по длине / поверхности деталей, наплавлен­ных пружинной проволокой 2 кл. под легированным флюсом и шлифованных диаметром 60 мм: 1 — наплавленные без накатки; 2, 3, 4, 5, 6 — наплавленные с накаткой роликами соответственно с усилиями 5; 7,5; 10; 12,5 и 15 кН

катки роликами, показало, что наплавленный металл в средней ча­сти нанесенного валика (рис. 4.11, п) имеет структуру крупноиголь­чатого мартенсита с большим количеством остаточного аустени­та. В местах перекрытия наплавленных валиков — мелкоигольча­тый мартенсит (рис. 4.11, б), что связано с термическим влиянием. По длине наплавленной детали структура наплавленного металла неоднородна и изменяется от крупноигольчатого до мелкоиголь­чатого мартенсита.

В зоне деформации при температуре 350…650 °С наплавленный ме­талл имеет структуру аустенита. При наплавке деталей под легирован­ным флюсом примерно после 230 °С начинается превращение в мар­тенсит. Под действием силы деформации происходит измельчение структуры, связанное с дроблением зерен аустенита. Внутри зерен происходит интенсивное образование и движение дислокаций, что сопровождается значительным увеличением их плотности.

У деталей, наплавленных с ППД роликами одновременно с формообразованием, изменяется макро — и микроструктура наплавлен­ного металла. Металл по глубине наплавленного слоя имеет структу­ру мелкоигольчатого мартенсита с небольшим количеством оста­точного аустенита (рис. 4.11, в). По длине детали структура наплав­ленного металла однородна.

Усталостная прочность восстановленных наплавкой деталей, имеющих концентраторы напряжений и работающих в условиях
знакопеременных нагрузок, во многом определяется остаточ­ными напряжениями. Сжимаю­щие остаточные напряжения повышают, а растягивающие понижают сопротивление уста­лости. Растягивающие напряже­ния способствуют росту устало­стных трещин в металле, тогда как сжимающие останавливают их рост.

А. Распределение остаточ­ных напряжений по глубине на­плавленного металла.

При наплавке пружинной проволокой второго класса под легирующим флюсом без ППД на наружной поверхности ша­тунных шеек коленчатого вала а/м ГАЗ-51 действуют незначи­тельные сжимающие осевые о0С и тангенциальные о( напряже­ния порядка 80… 100 МПа, а на глубине 3 мм от поверхности они переходят в растягиваю­щие. У наплавленных с одно­временной ППД роликами с усилием 10 кН на наружной поверхности появляются сжимающие напряжения порядка 240…280 МПа.

Осевые напряжения на глубине 3,5…4 мм, а тангенциальные на­пряжения на глубине 4,5…5 мм переходят в растягивающие. Увели­чение сжимающих напряжений в поверхностных слоях и глубина их залегания по сравнению с напряжениями у коленчатых валов, на­плавленных без ППД, вызвано, помимо тепловых явлений и струк­турных превращений, пластическим деформированием наплавлен­ного металла.

Б. На наружной поверхности шатунных шеек коленчатых валов, наплавленных без ППД, остаточные напряжения распределяются не­
равномерно по их длине. В зоне галтелей шеек валов и в пригалтель — ных участках действуют растягивающие напряжения. Максималь­ная величина ot составляет 120..Л 50 МПа. В средней части шеек дей­ствуют сжимающие напряжения в пределах 120…250 МПа. У наплав­ленных пружинной проволокой второго класса под легирующим флюсом одновременно с ППД роликами с усилием 10 кН в начале и в конце наплавки шеек коленчатых валов в зоне галтелей действуют сжимающие напряжения, равные 150…250 МПа.

В средней части шеек действуют сжимающие напряжения, величи­на которых составляет 300…500 МПа. Максимальные напряжения в деталях, наплавленных с одновременной ППД роликами, по абсолют­ной величине и характеру распределения приближаются к ot на по­верхности шеек новых коленчатых валов и значительно превосходят по величине о( на поверхности шеек, наплавленных без ППД.

У шеек, наплавленных без ППД, величина о0С превышает о,, а у наплавленных с одновременной ППД роликами — наоборот. В тех случаях, когда наибольшими по величине являются о0С, вызванные ими трещины располагаются перпендикулярно оси шейки на сты­ках наплавленных валиков. В том случае, когда ot превышают о0С, как это имеет место при наплавке шеек с ППД роликами, трещины располагаются вдоль образующей шейки, а это уменьшает возмож­ность поломки коленчатых валов в эксплуатации.

Долговечность восстановленных деталей, работающих при на­грузках, изменяющихся по величине и знаку, зависит не только от износостойкости, твердости покрытий и остаточных напряжений в наплавленном металле, но и от усталостной прочности. Для выявле­ния влияния ППД роликами на усталостную прочность проведены сравнительные испытания новых и восстановленных коленвалов дви­гателей а/м ГАЗ-51. Усилие накатки при ППД роликами наплавлен­ного металла — 10 кН. Испытания проведены на универсальной ма­шине УМ-4. Каждый следующий образец одной серии испытывали при нагрузке на 10…20 % меньше, чем предыдущий. Повторность испытаний принималась трехкратной, а база испытаний — равной 12 млн циклов нагружений. Полученные результаты усталостной прочности приведены на рис. 4.12. Детали, наплавленные с ППД ро­ликами, имеют усталостную прочность на 18…22 % выше, чем про­сто наплавленные. Основные причины этого — устранение растягивающих напряжений оп действующих на наружной поверх­
ности, и благоприятное перерас­пределение остаточных напряже­ний. Наплавленный металл в ре­зультате ППД значительно упроч­няется, уменьшается количество пор и микротрещин. Повышение усталостной прочности деталей, наплавленных с ППД роликами, объясняется также более одно­родной структурой нанесенного металла по всей длине детали и равномерной поверхностной твердостью.

Влияние усилия накатки ро­ликами на трение и износ на­плавленного металла определено на машине трения СМЦ-2. Для получения более интенсивного изнашивания в качестве контртела применялись колодочки из чугу­на химического состава: С = 2,9 %;

Si = 1,85 %; Мп = 0,74 %. Образцы вырезали при обильном охлажде­нии из наплавленной детали диаметром 60 мм в виде роликов шири­ной 10 мм. Скорость относительного перемещения в трущихся па­рах 1,57 м/с. Она находится в интервале скоростей, в котором воз­никает окислительный износ. В качестве смазки применяли автол-6, который подавался в зону трения по одной капле в две минуты. Из­нос определяли взвешиванием с точностью до 0,1 мг на ана­литических весах АДВ-200.

Зависимость износа металла, наплавленного пружинной проволо­кой второго класса под легированным флюсом, от пути трения при удельном давлении 7,5 МПа (рис. 4.13) показала, что ППД наплавлен­ного металла с усилием 5 кН повышает его износостойкость на 28 %, с усилием 7,5 кН — на 61 %, а с усилием 10 кН — почти на 100 %. При дальнейшем увеличении усилия накатки износостойкость на­плавок повышается незначительно. Коэффициент износостойкости наплавок, упрочненных с усилием до 10 кН, понижается до 0,5. Даль­нейшее увеличение усилия на ролики не способствует уменьшению

I——- 1—— 1—— 1—— 1—— 1—— 1—— 1—— 1—— 1—— 1 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 /, km Рис. 4.13. Влияние усилия накатки роликами наплавленного металла на износ h в зависимости от пути трения / при удельном давлении 7,5 МПа: 1 — наплавка пружинной проволокой 2 кл. под легирующим флюсом; 2, 3, 4, 5 и 6— наплавка с накаткой роликами соответственно с усилиями 5; 7,5; 10; 12,5 и 15 кН

коэффициента износостойкости. После 20 тыс. м пути трения при удельном давлении 7,5 МПа у образцов, наплавленных без ППД, на поверхности трения видны следы кавитации (глубокого вырывания) металла в виде темных пятен и глубоких борозд (рис. 4.14). У образ­цов, наплавленных с ППД роликами с усилием 10 кН, после 20 тыс. м пути трения поверхность трения находится в хорошем состоянии (рис. 4.14).

Рис. 4.14. Микрофотография поверхности трения деталей, наплавленных пружинной проволокой 2 кл. под легированным флюсом: а — без накатки роликами; б — с накаткой роликами с усилием 10 кН

Схватывание сопровожда­ется глубоким вырыванием ча­стиц металла из трущихся по­верхностей деталей машин.

Зависимость износа металла, наплавленного пружинной проволокой второго класса под легированным флюсом, от пути трения при ступенчатом нагру­жении при удельном давлении в интервале 5,5…10,5 МПа представлена на рис. 4.15.

Давление увеличивали через 1000 м пути трения на 1 МПа.

У образцов, наплавленных без ППД роликами, схватывание наблюдается при удельном дав­лении 8,5 МПа после 3300 м пути трения, а у наплавленных с ППД роликами — при 9,5… 10,5 МПа и большем пути трения. Во всех слу­чаях схватывание сопровождалось повышением температуры трения до 160 °С и увеличением коэффициента трения.

Итак, при восстановлении деталей наплавкой с ППД роликами с использованием тепла сварочной дуги увеличивается износостой­кость наплавленных деталей и уменьшается коэффициент трения. Это объясняется изменением структуры, уменьшением количества дефек­тов в наплавленном металле, повышением твердости, появлением на поверхности и по глубине наплавленных слоев благоприятных сжимающих напряжений.

На погрешность некруглости и шероховатость поверхности де­талей, наплавленных с одновременной поверхностной деформаци­ей роликами, влияют: усилие накатки, шаг, количество проходов на­катных роликов и скорость вращения наплавляемой детали. При на­катке роликами с усилием Р = 12,5 кН у поверхности наплавленного слоя наблюдается нарушение сплошности металла по границам зерен (начало образования микротрещин). При накатке с Р = 15 кН наблю­дается смятие (шелушение) поверхностного слоя, микротрещины более крупные. У деталей, накатанных с Р = 7,5… 10 кН, микротре­щины, поры и раковины в наплавленном металле отсутствуют.

10 — 7736

Увеличение усилия накатки Р до 10 кН способствует уменьше­нию погрешности некруглости, шероховатости по окружности и длине детали. С увеличением шага перемещения накатного ролика шероховатость поверхности увеличивается. При двух проходах ро­лика (по сравнению с одним) шероховатость поверхности по окруж­ности и вдоль оси детали уменьшается на 30…35 %. Дальнейшее уве­личение количества проходов уменьшению шероховатости не спо­собствует, а повышение скорости вращения детали при накатке роликами способствует увеличению (до 10 %) шероховатости наплав­ленной детали.

Глубина наклепанного слоя наплавленного металла (/) и его твер­дость являются основными свойствами упрочнения накатыванием. Они зависят как от параметров режима накатывания, так и от свойств наплавленного металла. Основными параметрами накатывания яв­ляются усилие накатки (Р), диаметр накатных роликов (Z)p) и диа­метр наплавляемой и накатываемой детали (£)д). Число проходов и подача накатных роликов влияет только на интенсивность наклепа наплавленного металла (степень повышения поверхностной твердо­сти). На режимы накатывания существенное влияние оказывает тол­щина наплавленного слоя (Н) и шаг наплавки (Ун) (зависят от режи­ма наплавки), марка наплавочной проволоки и флюса, а также пре­дел текучести (ат) наплавленного металла при определенной температуре (Г °С) в зоне пластической деформации.

Для определения оптимального варианта режимов накатки ро­ликами наплавленного металла в горячем состоянии, с учетом всех вышеизложенных параметров наплавки и накатки, можно исполь­зовать номограмму, позволяющую определить режим упрочнения наплавленного металла.

Зная диаметр наплавляемой детали, необходимую толщину на­плавленного слоя и наплавочный материал, назначают режимы на­плавки. Задаваясь диаметром накатных роликов и усилием накат­ки, по номограмме можно определить глубину наклепа, и наоборот, задаваясь усилием накатки и глубиной наклепа, определить необ­ходимый диаметр накатных роликов. Сравнение результатов экспе­риментальных данных с расчетными и определенными по номограм­ме показало хорошую сходимость результатов.