Наварки порошковых материалов

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧА РАБОТЫ

Цель работы:

– изучить процесс электроконтактной наварки порошковых материалов.

Задача работы:

– исследовать влияние параметров режима электроконтактной наварки порошковых материалов на размеры и свойства наваренного слоя.

ОБОРУДОВАНИЕ, МАТЕРИАЛЫ, ИНСТРУМЕНТ

1. Машина для контактной сварки.

2. Измерительный микроскоп (бинокулярная лупа).

3. Металлографический микроскоп.

4. Твердомер.

5. Инструмент слесарный и измерительный.

6. Образцы для наварки.

7. Порошковые материалы.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОЙ

НАВАРКИ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Способ электроконтактной наварки порошковых материалов отличается универсальностью, т.е. возможностью использования для получения различных по конфигурации и размерам деталей (плоских, цилиндрических, конических и др.), а также нанесения порошковых материалов широкого диапазона составов.

Способ отличается высокой экономичностью из-за отсутствия потерь наносимого материала на выгорание и снижения уровня легирования при минимальном перемешивании с основным материалом. Технологический процесс электроконтактной наварки порошков легко механизировать и автоматизировать.

Электроконтактной наваркой порошков упрочняются рабочие органы землеройных и строительных машин (типа ножей, зубьев), сельскохозяйственных орудий (типа дисков), а также восстанавливаются корпусные детали двигателей внутреннего сгорания (посадочные гнёзда под клапана головок блоков) и др.

Электроконтактная наварка порошков выполняется на роликовых и точечных (рельефных) машинах по следующим основным схемам процесса (рис. 1–4).

1. Наварка брикета (рис. 1).

Предварительно из порошка сваривается брикет (рис. 1, а). С этой целью между электродами 1 и 2 машины в токоизолирующей пресс-форме 3 помещается порошок 4. После предварительной холодной прессовки (в течение времени на рис. 2) через слой порошка от трансформатора 5 пропускается ток большой силы в виде серии кратковременных импульсов. Слой порошка быстро разогревается, уплотняется под действием приложенной сжимающей нагрузки и сваривается. После выключения тока происходит быстрое охлаждение материала брикета за счёт теплоотвода в водоохлаждаемые электроды. Схема наварки полученного брикета 7 на поверхность детали 6 показана на рис. 1, б.

На рис. 2 показан график изменения тока и давления при многоимпульсном цикле процесса сварки брикета. На рис. 3 представлена осциллограмма процесса сварки порошка.

Рис. 1. Схемы процесса электроконтактной наварки брикета:

а – сварка брикета; б – наварка брикета 7 на деталь 6

Рис. 2. График изменения тока I_св и давления Р при многоимпульсном цикле процесса электроконтактной сварки брикета

Рис. 3. Осциллограмма изменения осадки прессовки D h, сварочного тока I_св и напряжения U_св при электроконтактной сварке брикета из порошка

Вначале производится холодное прессование порошка (участок ОА). Оно характеризуется быстрым нарастанием плотности в результате перемещения частиц в поры, хрупкого разрушения арочных мостиков и зацеплений частиц ферросплавов, а также смятия контактных выступов частиц более пластичного материала. Эти процессы заканчиваются в момент А, о чём свидетельствует отсутствие дальнейшей осадки D h и стабилизация контактного электросопротивления прессовки. Выдержка прессовки под постоянным давлением без включения тока (участок АВ) не приводит к заметному уплотнению. С момента включения тока (точка В) начинается разогрев прессовки теплом, выделяющимся на активном сопротивлении.

Импульсное (рис. 2) включение тока способствует равномерному нагреву прессовки, стабилизации электросопротивления, предупреждает перегрев микроконтактов частиц. Вначале уплотнение материала растёт медленно, а наиболее интенсивно – при снижении напряжения и увеличении тока (участок СД), что обусловлено нарастанием пластического течения материала и ползучестью под давлением. Этот момент соответствует Т = 670...720 °С. В момент Д ток выключается, и некоторое время материал охлаждается под давлением.

Механизм сварки порошка заключается в следующем. При сжатии, в результате трения в местах касания частиц друг с другом, окисные плёнки на поверхности частиц разрушаются, образуя металлические контакты, повышающие электрическую проводимость порошка. При прохождении тока в местах контактирования частиц выделяется теплота, под действием которой контактные участки размягчаются, окисная пленка разрушается ещё больше, обнажая чистый металл, благодаря чему создаются условия для сваривания отдельных частиц порошка между собой. Указанному процессу способствуют внутренние напряжения на границе “металл–окисная плёнка”, вызванные различием в свойствах этих зон. Таким образом, процесс установления металлических контактов носит лавинообразный характер и длится до достижения относительной плотности брикета 70...80 %. После этого выделение теплоты происходит уже по всему объёму. Некоторые частицы порошка при этом расплавляются, возможно также образование между ними микродуговых разрядов.

2. Сварка и наварка порошка на поверхность детали производится одновременно (рис. 4). На точечных (рельефных) машинах навариваются поверхности (рис. 4, а) ограниченных размеров. Наварка протяжённых поверхностей осуществляется скошенным пуансоном 1 (рис. 4, б) путём многократного повторения отдельных циклов наварки порошка 4 при шаговом перемещении детали 6 с установленной на ней пресс-формой 3. Наиболее производительна схема наварки на роликовых машинах (рис. 4, в), при которой наварка слоя 7 идёт непрерывно. По схемам, приведённым на рис.4, порошок наваривается также при импульсном включении тока. График наварки аналогичен графику, приведённому на рис. 2, а механизм сварки – рассмотренному ранее.

Рис. 4. Схемы процесса электроконтактной наварки порошков

на поверхность детали

Порошковые материалы представляют собой смеси дробленых порошков ферросплавов (феррохрома, ферромарганца и др.), металлических порошков (сормайта) или же отдельных порошков (сормайт, УС-25, ХН30СР2). Грануляция порошковых материалов определяется необходимой толщиной наваренного слоя, способом приготовления порошка, схемой процесса и составляет в основном 0, 1...0, 6 мм.

Наваренный слой представляет собой сложнолегированный материал. Например, для деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания, его микроструктура состоит из твердых включений (в основном, зерен ферросплавов и карбидов) с микротвёрдостью 14000...20080 МПа (1400...2008 кгс/мм²) и основы (легированной железоуглеродистой матрицы) с микротвёрдостью 3500...12008 МПа (350...1200 кгс/мм²). Прочность соединения на срез наваренного слоя с основным металлом, как правило, не ниже прочности биметаллического проката, т.е. не менее 150 МПа (кгс/мм²).

Параметры режима наварки. Основными параметрамирежима являются сила сварочного тока I_св, напряжение U_св и график их изменения; время нагрева – прохождения тока t_имп, пауза между импульсами t_пауз, общая продолжительность процесса t_общ и время холодного прессования t_х.п. при наварке на точечных машинах; давление прессования Р; сечение электродов (пуансонов); высота насыпки порошка и его грануляция; скорость V_н наварки на роликовых машинах и скошенным пуансоном. Качество наваренного слоя определяется оптимальным сочетанием параметров режима при выбранных схеме процесса наварки и составе порошкового материала для наварки слоя заданных размеров.