Влияние процессов фрезерования и накатки роликами. горячего наплавленного металла на качество. восстановленных деталей

Наплавка деталей с фрезерованием горячего наплавленного металла.

Деталь диаметром 60 мм наплавляли пружинной проволокой второго класса диаметром 1,8 мм, под легированным флюсом (АН-348А + 2,5 % графита + 2,0 % феррохрома). Режимы наплавки: лд = 3 мтг1; I — 180 А; U = 22 В; Sn = 4 мм/об детали. Горячий наплавленный металл обрабаты­вали торцовой фрезой диаметром 100 мм с 8 зубьями, оснащенными пла­стинами из твердого сплава марки Т15К6. Скорость фрезерования наплавленного металла Vp = 94…283 м/мин, глубина резания 0,75 мм.

Наплавленная без фрезерования поверхность детали имеет глу­бокие впадины и выступы. Замеры на микроскопе МИС-11 показа­ли, что высота неровностей Rr = 450…500 мкм. Поверхность, на­плавленная и обработанная фрезой со скоростью Vp ~ 94 м/мин, имеет глубокие следы обработки с Rz = 58…170 мкм. При скоро­сти Vp = 157 м/мин имеются незначительные следы обработки с /С = 12. ..40 мкм. Обработанная со скоростью Ур = 220 и 283 м/мин поверхность имеет R„ = 8… 12 мкм.

Значительная огранка, неровности, волнистость, низкий класс шероховатости приводят к тому, что фрезерование горячего наплав­ленного металла рекомендуется только для черновых и обдирочных операций при ремонте деталей гусеничного хода дорожных и стро­ительных машин (например, опорные катки и поддерживающие ро­лики).

Наплавка деталей с фрезерованием и накаткой роликами горяче­го наплавленного металла. Наплавку цилиндрических деталей диа­метром 60 мм из стали марки 45 производили проволоками марок Св-08А, Св-08Г2С, Нп-ЗОХГСА и пружинной второго класса, под флюсом АН-348А и легированным флюсом.

Режимы восстановления цилиндрических деталей при совмеще­нии наплавки, обработки фрезой и ППД роликом в одной техноло­гической операции приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1 Режимы наплавки, фрезерования и накатки роликом деталей Параметры Диаметр детали, мм 60 120 240 Частота вращения детали, мин’1 3 2 0,75 Диаметр электродной проволоки, мм 1,6…1,8 1,8… 1,2 2 Шаг наплавки, мм/об детали 4…4,5 4…4,5 4…4,5 Сила тока, А 190…200 240…250 270…300 Напряжение, В 25…26 26… 28 27…30 Скорость подачи электродной проволоки, м/мин 1,35…1,56 2,3 3,25 Вылет электродной проволоки, мм 20 20…25 25 Температура наплавленного металла в зоне фре­зерования, °С 450…920 о о со о о 400…700 Скорость фрезерования, м/мин 220…250 220…250 220…250 Продольная подача фрезы, мм/об детали 4…4,5 4…4,5 4…4,5 Подача на зуб фрезы, мм/зуб 0,1…0,15 0,1…0,15 0,1…0,15 Диаметр накатного ролика, мм 100…120 100…120 120…150 Ширина цилиндрического пояска ролика, мм 15 16 18 Температура металла в зоне пластической де­формации, °С 300…700 300…600 300…500 Усилие накатки, кН 5…10 5…10 5…10

При наплавке деталей под легирующим флюсом поверхности бо­лее ровные, имеют лучшее сплавление валиков, меньшие по величине впадины и выступы, чем при наплавке деталей под флюсом АН-348А. Поверхность, обработанная фрезой в горячем состоянии, имеет вы­соту неровностей профиля Rz = 8…12 мкм, Ra — 1,6 мкм. При накатке

роликом горячего наплавленного металла, предварительно обрабо­танного фрезой, нанесенного проволоками марок Св-08А, Св-08Г2С, Нп-ЗОХГСА и пружинной проволокой второго класса под флюсом АН-348А и АН-348А, легированного графитом и феррохромом с уси­лием на ролик 5 кН, шероховатость соответствует 5…6 классу а при накатке с усилием 10 кН — 7…8 классу.

На рис. 4.27 показаны диаграммы поверхностной твердости на­плавленного металла деталей, обработанных торцовой фрезой и на­катанных роликом. Наибольший прирост поверхностной твердости наблюдается при наплавке под флюсом АН-348А (рис. 4.27, а). При

а

наплавке проволокой Св-08Г2С с обработкой фрезой и накаткой роликом с усилием 5 кН твердость увеличивается на 58 %, а с уси­лием 10 кН — на 78 %.

У деталей, наплавленных проволокой Нп-30ХГСА, при обработке фрезой и накатке роликом с такими же усилиями твердость увеличива­ется соответственно на 44 и 52 %, а пружинной проволокой второго класса — соответственно на 36 и 50 %. Чем меньше исходная твердость наплавленного металла, тем больше ее прирост при упрочняющей об­работке горячего наплавленного металла. При наплавке деталей под легированным флюсом проволоками Св-08А, Св-08Г2С и пружинной проволокой второго класса (рис. 4.27, б) увеличение поверхностной твердости после обработки фрезной инакатки роликом незначительно (4..Л4,6 %). У деталей, наплавленных проволокой Нп-ЗОХГСА, обра­ботанных фрезой и упрочненных роликом с усилием 5 кН, прирост твер­дости составляет 32,5 % и 38 % с усилием 10 кН.

В табл. 4.2 приведены значения поверхностной твердости, мик­ротвердости по глубине, пластичности и прочности металла, наплав­ленного различными проволоками и флюсами с обработкой фрезой и накаткой роликом с различными усилиями. Большой прирост мик­ротвердости по глубине наплавленного слоя наблюдается при наплавке под флюсом АН-348А, меньший — при наплавке под леги­рованным флюсом. При наплавке под легированным флюсом твер­дость наплавленного металла повышается незначительно, а пластич­ность с увеличением усилия накатки возрастает (табл. 4.2).

Таблица 4.2 Механические свойства поверхностных слоев деталей, наплавленных, обработанных торцовой фрезой и накатанных роликом с различными усилиями Напла­вочная проволо­ка и флюс Уси­лие накат­ки, кН Твер- Микротвердость Н по глубине наплав­ленного металла Пла — стич — ность 6, % Проч­ ность Св, МПа дость, HRC 0,01 мм 0,1 мм по сере­дине слоя у зоны сплав­ления Св-08А, АН-348А 0 10… 14 1,46…1,54 1,44… 1,54 1,44…1,5 1,54… 1,7 15,6 384 5 23…26 2,35…2,51 2,35…2,51 2,3…2,35 2,2…2,35 13,6 784 10 28…30 2,5…2,7 2,5… %1 2,45…2,6 2,2…2,35 8,2 928 Св-08А, 0 36…39 3,5…4,0 3,5…4,0 3,06…3,5 2,3… 2,46 6,0 1200 АН-348А 5 40…42 4,0…4,5 4,0…4,5 3,5…3,8 2,6…2,8 7,0 1312 легиров. 10 43…45 4,0…4,5 4,0…4,5 3,5…3,8 2,6…2,8 7,8 1408 11 — 7736

Напла­вочная проволока и флюс	Уси­лие накат­ки, кН	Твер- дость, HRC	Микротвердость Я по глубине наплав­ленного металла	Пла- стич- ность 5, %	Проч­ ность О*, МПа
0,01 мм	0,1 мм	по сере­дине слоя	у зоны сплав­ления
Св~08Г2С. АН-348А	0	19…25	3,45…3,75	3,45…3,8	3,45…3,74	2,45…2,8	9,4	704
5	28…32	3,8…4,25	3,75…4,2	3,5…3,75	2,68…2,9	8,5	960
10	33…36	3,9…4,3	3,75…4,2	3,5…3,75	2,68…2,9	7,7	1104
Св-08Г2С АН-348А легиров.	0	56…57	5,4…5,56	5,1…5,2	4,4…5,0	4,05…4,4	3,2	1792
5	58…59	5,56…6,17	5,56…6,17	5,19…5,56	5,0…5,56	3,8	1872
10	60…61	6,0…6,45	6,15…6,65	5,96…6,99	6,5…7,2	4,1	1936
Нп- 30ХГСА, АН-348А	0	26…28	2,25…2,3	2,2…2,3	2,2…2,3	2,2…2,3	11,7	864
5	28…32	2,8… 2,95	2,5…2,7	2,36…2,45	2,36…2,8	8,4	960
10	32…35	2,8.. .2,9	2,55…2,7	2,55…2,7	2,5…2,6	5,3	1072
Нп- 30ХГСА, АН-348А легиров.	0	40…43	3,25… 3,6	3,14…3,73	3,8…4,86	5,56…6,6	4,0	1328
5	47…48	4,3…4,6	4,17…4,3	4,5…4,9	5,5…6,6	4,4	1520
10	50…54	5,19…5,96	5,55…5,75	4,5…5,4	6,17…6,7	6,2	1664
Пруж. второго класса, АН-348А	0	29…31	3,3. ..3,6	3,2…3,4	2,8…3,2	2,45…2,8	11,1	960
5	36…41	3,6…3,95	3,0…3,2	3,0…3,2	2,5…2,8	7,5	1232
10	42…45	3,6.. .4,0	3,6.. .3,8	3,2…3,4	2,7…2,9	6,63	1392
Пруж. второго класса, АН-348А легиров.	0	53…57	4,86…5,59	5,02…5,37	4,71…5,2	4,55…4,7	2,7	1760
5	56.. .59	6,17…6,41	6,17…6,65	5,0…5,4	5,0…5,4	3,3	1840
10	60…62	6,9…7,2	6,2…7,2	5,0…5,6	5,2…5,4	4,0	1952

Фотографии микроструктур нанесенных слоев металла деталей из стали марки 45 диаметром 60 мм и длиной 300 мм, наплавленных разными проволоками под различными флюсами, обработанных торцовой фрезой диаметром 100 мм и накатанных роликом диамет­ром 100 мм, приведены на рис. 4.28…4.31.

1.Наплавка проволокой Св-08А под флюсом АН-348А (рис. 4.28, а). После наплавки без накатки роликом металл имеет структуру ферри­та и до 30 % перлита (рис. 4.28, я, 1) (зерна столбчатого строения). После фрезерования и накатки горячего металла роликом с усилием 5 кН — феррит и 30 % сорбитообразного перлита (зерна столбчатого строения) (рис. 4.28, а, 2). У наплавленного металла, упрочненного роликом с усилием 10 кН, структура — феррит и 30 % зернистого пер­лита (структура однородная) (рис. 4.28, д, J). При наплавке проволо-

Рис. 4.28. Микроструктура металла, наплавленного проволокой Св-08А под флюсами АН-348А (а) и легированным (б) (х500): 1 — без накатки; 2 — фрезерование и накатка с усилием 5 кН; 3 — фрезерование и накатка с усилием 10 кН

кой Св-08А под флюсом АН-348А с фрезерованием и накаткой роли­ками микроструктура металла изменяется незначительно.

2. Наплавка проволокой Св-08А под легированным флюсом (рис. 4.28, б). Наплавленный металл, нанесенный без фрезерования и накатки роликом (рис. 4.28, б, 7), как и накатанный роликом с уси­лием 5 и 10 кН (рис. 4.28, б, 2 и 3), имеет структуру игольчатого сор­бита с ферритом. Зерна столбчатого строения.

3. Наплавка проволокой Св-08Г2С под флюсом АН-348А (рис. 4.29, а). Металл, наплавленный без накатки роликами (рис. 4.29, а, 7), имеет структуру сорбит с ферритом. При наплавке с фрезерованием и на­каткой роликом с усилием 5 кН — сорбит игольчатого строения с п*

Рис. 4.29. Структура металла, наплавленного проволокой Св-08Г2С под флюсами АН-348А (а) и легированным (б) (х500): 1 — без накатки; 2 — фрезерование и накатка с усилием 5 кН; 3 — фрезерование и накатка с усилием 10 кН

ферритом (рис. 4.29, а, 2), а с усилием 10 кН — перлит с ферритом перистого строения (рис. 4.29, а, 5).

4. Наплавка проволокой Св-08Г2С под легированным флюсом (рис. 4.29, б). Металл, наплавленный проволокой Св-08Г2С под ле­гированным флюсом без накатки, имеет структуру мелкоигольча­того с иглами среднеигольчатого мартенсита и небольшое количе­ство остаточного аустенита (рис. 4.29, 6, /). При фрезеровании и накатке роликом с усилием 5 кН у поверхности — среднеигольча­тый мартенсит с остаточным аустенитом (рис. 4.29, б, 2). Далее, к зоне сплавления с основным металлом, при накатке с усилием 10 кН структура металла — мелко — и среднеигольчатый мартенсит с оста­точным аустенитом (рис. 4,29, б, 3).

5. Наплавка проволокой Нп-ЗОХГСА под флюсом АН-348А (рис. 4.30, а). Металл, наплавленный проволокой Нп-ЗОХГСА под флюсом АН-348А без накатки, имеет структуру перлита перистого стро­ения с ферритом (рис. 4.30, а, /). При фрезеровании и накатке роликом с усилием 5 кН структура металла — перлит с ферритом перистого строения и участки сорбитообразного перлита (рис. 4.30, а, 2).

У металла, наплавленного с фрезерованием и накатанного роли­ком с усилием 10 кН, структура — феррит и 30 % перлита (зерна столбчатого строения) (рис. 4.30, й, 3).

6. Наплавка проволокой Нп-ЗОХГСА под легированным флюсом (рис. 4.30, б). Металл, наплавленный проволокой Нп-ЗОХГСА под

б

Рис. 4.30. Структура металла, наплавленного проволокой Нп-ЗОХГСА под флюсами

АН-348А {а) и легированным (б) (х500):

1 — без накатки; 2 — фрезерование и накатка с усилием 5 кН; 3 — фрезерование

и накатка с усилием 10 кН

легированным флюсом без накатки роликами, имеет структуру леги­рованного аустенита и иглы троостита с мартенситом (рис. 4.30, 6,1). Далее, к зоне сплавления с основным металлом, — среднеигольча­тый мартенсит с остаточным аустенитом. У зоны сплавления — мел­ко — и среднеигольчатый мартенсит. В наплавленном слое имеются раковины и микротрещины. У металла, обработанного фрезой и на­катанного роликами с усилием 5 кН (рис. 4.30, б, 2), как и с усилием 10 кН (рис. 4.30, б, 5), структура легированного аустенита с крупны­ми иглами мартенсита. Далее, к зоне сплавления, количество аусте­нита уменьшается, а мартенсит мелкоигольчатый.

7. Наплавка пружинной проволокой второго класса под флюсом АН — 348 А (рис. 4.31, а). Металл, наплавленный пружинной проволокой вто­рого класса под флюсом АН-348А без накатки роликами, имеет структу­ру перлита с ферритом (рис. 4.31, а, /). Структура наплавленного метал­ла, обработанного фрезой и упрочненного роликом с усилием 5 кН (рис. 4.31, а, 2), такая же, как у упрочненного роликом с усилием 10 кН (рис. 4.31, б, 3), т. е. сорбит с ферритом, строение зерен столбчатое.

8. Наплавка пружинной проволокой второго класса под легиро­ванным флюсом (рис. 4.31, б). Металл, наплавленный пружинной про­волокой второго класса, под легированным флюсом, без накатки имеет мелкие раковины, поры и кольцевые микротрещины (рис. 4.31, б, 1), Металл средней части наплавленных валиков на значительной глу­бине имеет структуру крупноигольчатого мартенсита с большим ко­личеством остаточного аустенита. В местах перекрытия валиков — мелкоигольчатый мартенсит, что связано с термическим влиянием.

При фрезеровании и накатке роликом с усилием 5 кН структура металла — среднеигольчатый мартенсит с остаточным аустенитом (4.31, б, 2). Далее, к зоне сплавления с основным металлом, количе­ство остаточного аустенита уменьшается. Упрочненный роликами с усилием 10 кН наплавленный металл по всей глубине имеет струк­туру мелкоигольчатого мартенсита (рис. 4.31, б, 3).

При обработке фрезой и ППД роликом горячего наплавленного металла структура его по длине детали более однородна и имеет более мелкие зерна по сравнению с просто наплавленными. Наилучшая структура металла получается при обработке фрезой со скоростью резания 220…250 м/мин и ППД роликом с усилием 8… 10 кН.

Величина, знак и характер распределения остаточных напряжений в деталях диаметром 60 мм из стали марки 45, наплавленных пружин-

Рис. 4.31. Структура металла, наплавленного пружинной проволокой 2-го класса
под флюсами АН-348А (я) и легированным (б) (х500):

1 — без накатки; 2 — фрезерование и накатка роликом с усилием 5 кН; 3 —
фрезерование и накатка роликом с усилием 10 кН

ной проволокой второго класса под флюсом АН-348А и легирован­ным флюсом с обработкой горячего нанесенного слоя металла тор­цовой фрезой и накатным роликом, показаны на рис. 4.32 и 4.33. Дли­на наплавленного участка на детали длиной 300 мм составляет 60 мм.

При наплавке деталей пружинной проволокой второго класса под флюсом АН-348А без упрочняющей обработки (рис. 4.32) на по­верхности по длине сжимающие тангенциальные (100…380 МПа) и осевые (до 200 МПа) напряжения переходят в растягивающие (до 200 МПа) (кривые 1 на рис. 4.32, а). По глубине наплавленного слоя сжимающие напряжения постепенно снижаются (кривые 1 на рис. 4.32, 6). Фрезерование и накатка роликом наплавленного ме-

Рис. 4.32. Распределение остаточных напряжений на поверхности (а) и по глубине (б)
деталей, наплавленных пружинной проволокой 2-го класса под флюсом АН-348А:
1 — без накатки; 2 — накатка роликом с усилием 10 кН

талла позволяет получить равномерное распределение по длине детали значительных осевых и тангенциальных напряжений (350…600 МПа) (кривые 2 на рис. 4.32, а). Эти сжимающие напря­жения действуют по всей глубине наплавленного слоя.

При наплавке деталей пружинной проволокой второго класса под легированным флюсом (рис. 4.33) без упрочняющей обработки на поверхности по их длине имеют место растягивающие тангенциаль­ные (80…250 МПа) и осевые (до 180 МПа) напряжения (кривые 1 на рис. 4.33, а). В середине детали растягивающие осевые напряжения переходят в сжимающие (до 100 МПа). На глубине слоя до 2…4 мм действуют незначительные сжимающие напряжения (до 50 МПа), пе­реходящие в растягивающие (кривые 1 на рис. 4.33, б). При наплавке с фрезерованием и накаткой роликом на наружной поверхности по длине деталей появляются сжимающие напряжения, тангенциальные достигают 460…580 МПа, а осевые — 300…500 МПа (кривые 2 на рис. 4.33, а). На глубине детали до 4 мм действуют сжимающие на­пряжения порядка 300…400 МПа (кривые 2 на рис. 4.33, б).

Износ металла, наплавленного с одновременным фрезерованием и ППД роликом с различным усилием, и контробразцов из бронзы марки БрОЦС5-5-5 (ГОСТ 613-65) при граничной смазке в зависи-

а, МПа 300

200

100

о

-100 -200 -300 -400 -500 -600

Рис. 4.33. Распределение остаточных напряжений на поверхности (я) и по глубине (б) деталей, наплавленных пружинной проволокой 2-го класса под легированным

флюсом:

1 — без накатки; 2 — фрезерование и накатка роликом с усилием 10 кН мости от пути трения определили на машине трения СМЦ-2 по схе­ме диск-колодка при следующих условиях. Омывание маслом «Ин — дустриальное-20», скорость скольжения 1,57 м/с, удельное давление 3 МПа, путь трения 50 000 м. Лучшую износостойкость показывают детали, наплавленные проволоками СВ-08Г2С, Нп-30ХГСА и пру­жинной второго класса под слоем легированного флюса с обработ­кой фрезой и ППД роликом с усилием 10 кН. При использовании флюса АН-348А лучшая износостойкость у деталей, наплавленных пружинной проволокой второго класса с обработкой фрезой и ППД роликом с усилием 5..Л0 кН. Их износостойкость превосходит из­носостойкость деталей, наплавленных без упрочняющей обработки. Коэффициент трения находится в пределах 0,014…0,016, в то время как у неупрочненных он равен 0,03…0,048.

При гидроабразивном изнашивании наиболее износостойкими являются детали, наплавленные под легированным флюсом пружин­ной проволокой второго класса и проволокой Св-08Г2С с обработ­кой торцовой фрезой и ППД роликом с усилием 5… 10 кН. При на­плавке деталей под флюсом АН-348А лучшей износостойкостью 12- 7736
обладает металл, наплавленный пружинной проволокой второго класса с обработкой фрезой и ППД роликом с усилием 10 кН. У уп­рочненных деталей износостойкость в 2,5…3 раза больше, чем у про­сто наплавленных.

Наиболее износостойкими в условиях трения без смазки при воз­вратно-поступательном перемещении и изменяющимися по величи­не нагрузками (от 0 до 300 Н) являются детали, наплавленные под легированным флюсом проволоками марки Св-08Г2С и пружинной второго класса с одновременным фрезерованием и ППД роликом с усилием 10 кН. Интенсивность изнашивания оказалась соответствен­но 5,5 и 3,5 мг/(см2*км), а контробразцов 23,6 и 30,9 мг/(см2*км). Ин­тенсивность изнашивания металла, наплавленного без упрочняющей обработки проволоками марки Св-08Г2С и пружинной второго клас­са, соответственно равна 8,4 и 7 мг/(см2-км).

Повышение износостойкости в результате упрочняющей обработ­ки горячего металла, наплавленного под легирующим флюсом про­волоками марки Св-08Г2С пружинной второго класса, имеющего высокую поверхностную твердость, обусловлено изменением струк­туры и повышением пластичности наплавленного металла. В этих условиях начальное очаговое выкрашивание наступает позже и не приводит к сильному развитию разрушения поверхности.