СПОСОБ НАПЛАВКИ ТРУЩИХСЯ И УПЛОТНИТЕЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ИЗНОСОСТОЙКИМИ МАТЕРИАЛАМИ Российский патент 1997 года по МПК B23K9/04 

Изобретение относится к области судостроительной и машиностроительной промышленности и может быть использовано для наплавки трущихся и уплотнительных поверхностей цилиндрических деталей износостойкими материалами.

Наиболее близким техническим решением является способ наплавки, согласно которому производят предварительный подогрев деталей, процесс наплавки ведут на обратной полярности от источника постоянного тока, после наплавки деталь охлаждают.

Задачей изобретения является повышение качества восстанавливаемых деталей и продление срока их службы.

Задача изобретения решается тем, что согласно способу наплавку осуществляют от источника постоянного тока на обратной полярности, оборудованного амперметром класса точности 1,5 для контроля сварочного тока, производят предварительный подогрев деталей, а после наплавки деталь охлаждают для обеспечения необходимой твердости, наплавку производят не менее, чем в три слоя при толщине каждого слоя не более 2 мм и ширине каждого наплавленного валика не более 25 мм, при этом общая толщина наплавки составляет не менее 5 мм. При наплавке необходимо обеспечить минимальное проплавление основного металла, для чего первый слой наплавки выполняют в нижнем пределе сварочного тока.

В зависимости от конструктивных особенностей и доступности наплавку осуществляют в предварительно изготовленную канавку или прямо на поверхность детали.

В процессе наплавки тщательно удаляют шлак после наложения каждого слоя.

После наплавки охлаждение деталей осуществляют по следующим режимам:
а) при наплавке электродами 48Ж-1 в термоящиках под слоем песка или асбеста, причем крупногабаритные детали охлаждают в печи до температуры 350-400^oC или с помощью гибких электронагревателей до этой же температуры;
б) при наплавке электродами ЦН-6 или ЦН-6Л крупногабаритные детали и узлы (D_у≥150 мм) охлаждают вместе с печью до температуры 300-350^oC или сразу же подвергают термообработке, а малогабаритные детали (D_у≅150 мм) охлаждают в термоящиках под слоем песка или асбеста;
в) при наплавке электродами ЦС-1 деталей из углеродистых сталей детали всех размеров сразу же после окончания наплавки помещают в термическую печь при температуре 650-750^oC и охлаждают вместе с печью;
г) при наплавке электродами ЦН-2 детали всех размеров из стали 38ХМЮА после наплавки помещают в печь, нагретую до температуры 570-620^oC, а детали из сталей остальных марок до температуры не ниже 600-650^oC и подвергают термообработке;
д) при наплавке электродами ЦН-12М детали всех размеров из стали аустенитного класса, наплавленные электродами марки ЦН-12М, непосредственно после наплавки помещают в печь, нагретую до температуры не ниже 600-650^oC, и подвергают термообработке.

При невозможности немедленного проведения термообработки наплавленные детали с D_у ≥ 65 мм из коррозионно-стойкой стали аустенитного класса и стали перлитного класса охлаждают в горячем песке или в печи с последующим обязательным проведением термообработки.

Подготовку деталей под наплавку производят механической обработкой - фрезерованием, расточкой, строжкой.

На обработанных под наплавку поверхностях при внешнем осмотре деталей не должно быть трещин, заусениц, расслоений, шлаковых включений, газовых пор, причем шероховатость поверхности под наплавку должна быть не более 12,5 мкм.

Разделку канавки под наплавку выполняют без острых углов, вертикальных стенок и резких переходов, при этом радиус округления должен быть не менее 3 мм.

Перед наплавкой канавки и прилегающие к ним поверхности детали на ширине не менее 20 мм в каждую сторону очищают от ржавчины, окалины, масла и других загрязнений.

Перед наплавкой деталей из сталей перлитного класса электродами ЦН-2, ЦН-6, а также деталей из стали 38Х2МЮА электродами ЦН-2 производят предварительную наплавку промежуточного подслоя (в один слой) электродами марок ЗА-395/9, ЗИС-8, ОЗЛ-6 при высоте слоя наплавки не менее 3 мм.

Наплавку деталей из стали марок СТ3, СТ4, СТ5, СТ20, СТ25, СТ25Л выполняют без подогрева.

Допускается наплавку деталей из сталей марок СТ3, СТ4 выполнять без подслоя.

Наплавку подслоя на детали из стали марок 35Л, 2СХМЛ, 12МХ, 15ХМ, 12Х1МФ, 15Х1М1ФЛ, 38ХМЮА выполняют с предварительным подогревом до температуры 150-200^oC, обеспечив замедленное охлаждение деталей после наплавки в песке или под слоем асбеста.

На каждую наплавляемую деталь разрабатывают технологическую карту, в которой указывают:
размеры заготовки под наплавку;
размеры наплавки с учетом припуска на механическую обработку;
последовательность операций сварки, наплавки и термообработки для сварных конструкций с наплавляемыми деталями;
требования по механической обработке и последовательность выполнения контрольных операций, обеспечивающих заданные по чертежу размеры наплавки;
методы и объем контроля.

Наплавку производят в помещениях при температуре воздуха не ниже 5^oC на рабочих местах, огражденных от сквозняков и оборудованных специальной оснасткой и приспособлениями для установки и поворота изделий.

Рабочее место сварщика оборудуют теплоизоляционными кожухами, термоящиками с песком, подогревателями для предупреждения резкого охлаждения изделий в процессе наплавки и после ее окончания.

Наплавку производят в нижнем положении и прилегающие к наплавке поверхности деталей из стали аустенитного класса, не подлежащие последующей механической обработке, для предохранения от попадания брызг защищают асбестом или другими огнестойкими материалами.

Для предотвращения растекания наплавленного металла в доступных местах применяют медные или графитовые накладки.

Оборудование, используемое для нагрева деталей под наплавку, обеспечивают регулирующими и записывающими приборами и температуру подогретых деталей контролируют термопарами касания ПКТ-1 или термокарандашами.

На фиг.1 приведена форма и размеры канавок под наплавку в деталях, где H размер, устанавливаемый чертежом; на фиг.2 схема реализации способа наплавки трущихся и уплотнительных поверхностей деталей износостойкими материалами, где 1 деталь, 2 электрод, 3 источник постоянного тока, 4 - амперметр, 5 источник для подогрева детали.

Способ осуществляется следующим образом: стали марок СТ3, СТ4, СТ5, СТ20, СТ30, 25Л, 35Л, 20ХМЛ, 12МХ, 15ХМ, 12ХЮМ, 15Х1М1ФЛ, 08Х18Н1СТ, 12Х18Н10Т, 12Х18Н9Т, 20Х13, 38Х2МЮА поступают под наплавку после термообработки на свойства в соответствии с техническими требованиями чертежей. Исключением из приведенного условия являются материалы 14Х17Н2 и ХН35ВГ. Сплав марки ХН35ВТ поступает под наплавку после аустенизации, то есть после 1-го этапа термообработки. 2 и 3-й этапы термообработки (старение) производятся на заготовках деталей только после выполнения наплавки по режиму, приведенному в табл.1, где
* малогабаритные детали, охлаждающиеся в термоящиках, помещают в печь при температуре не выше 200^oC;
** детали из углеродистых сталей, наплавленные электродами ЦС-1, термообработке не подвергаются;
*** термообработку изделий из сталей марок 20Х13, 38Х2МЮА, 14Х17Н2 производят при условии загрузки деталей в один слой в специальных приспособлениях; запрещается загрузка деталей "навалом"!
**** 1-й этап термообработки аустенизация производится до наплавки деталей.

Сплав ХН35ВТ, поступающий под наплавку, испытывают на механические свойства по ТУ14-1-272-72 на образцах-свидетелях от тех же плавок, что и наплавленные детали, после всех этих этапов термообработки. Подогрев деталей под наплавку осуществляют источником 5 в качестве которых используют либо наружные электронагреватели, или индукционным способом, причем подогрев тарелок, седел, дисков и других мелких деталей из углеродистых и низколегированных сталей осуществляют ацетилено-кислородным пламенем. Оборудование, используемое для нагрева, обеспечивают регулирующими и записывающими приборами. Температуру подогретых деталей контролируют термопарами касания ПКТ-1 или термокарандашами. В наплавляемой детали 1 перед наплавкой механической обработкой выполняют канавку. На обработанных под наплавку поверхностях не должно быть трещин, заусениц, расслоений, шлаковых включений, газовых пор, причем шероховатость поверхности под наплавку должна быть не более 12,5 мкм. Разделку канавки выполняют без острых углов, вертикальных стенок и резких переходов, при этом радиус округления должен быть не менее 3 мм. Перед наплавкой канавки и прилегающие к ним поверхности детали на ширине не менее 20 мм в каждую сторону очищают от ржавчины, окалины, масла и других загрязнений. Наплавку осуществляют от источника постоянного тока 3 на обратной полярности, оборудованного амперметром типа М 4200 класса 1,5 для контроля сварочного тока электродами 2, тип и свойства которых зависят от марок сталей, из которых изготовлены детали для наплавки. Наплавляемую деталь 1 подогревают до определенной температуры посредством источника подогрева 5, и согласно технологической карте производят наплавку определенной маркой электродов 2 при сварке от источника 3, сварочный ток которого контролируют амперметром 4 для получения необходимой твердости материала наплавки. Рабочую поверхность наплавки располагают на удалении не менее 5 мм от наплавляемой поверхности и наплавку осуществляют не менее чем в три слоя при толщине каждого слоя не более 2 мм и ширине каждого наплавленного валика не более 25 мм. При наплавке необходимо обеспечить минимальное проплавление основного металла, для чего первый слой наплавки выполняют на нижнем пределе сварочного тока. В процессе наплавки тщательно удаляют шлак после наложения каждого слоя.

Перед наплавкой деталей из стали перлитного класса электродами ЦН-2, ЦН-6, а также деталей из стали 38Х2МЮА электродами ЦН-2 производят предварительную наплавку промежуточного подслоя (в один слой) электродами марок ЗА-395/9, ЗИС-8, ОЗЛ-6 при высоте слоя наплавки не менее 3 мм. Наплавку деталей из сталей Ст3, Ст4, Ст5, 20, 25, 25Л выполняют без подогрева. Допускается наплавку деталей из сталей марок Ст3, Ст4 выполнять без подслоя.

Наплавку подслоя на детали из стали марок 35Л, 2СХМЛ, 12МХ, 15ХМ, 12Х1МФ, 15Х1M1ФЛ, 38ХМЮА выполняют с предварительным подогревом до температуры 150 200^oC, обеспечив замедленное охлаждение деталей после наплавки в песке или под слоем асбеста.

На каждую наплавляемую деталь разрабатывают технологическую карту, в которой указывают:
размеры заготовки под наплавку;
размеры наплавки с учетом припуска на механическую обработку;
последовательность операций сварки, наплавки и термообработки для сварных конструкций с наплавляемыми деталями;
требования по механической обработке и последовательность выполнения контрольных операций, обеспечивающих заданные по чертежу размеры наплавки;
методы и объем контроля.

Наплавку производят в помещениях при температуре воздуха не ниже 5^oC на рабочих местах, огражденных от сквозняков и оборудованных специальной оснасткой и приспособлениями для установки и поворота изделий. Рабочее место сварщика оборудуют теплоизоляционными кожухами термоящиками с сухим песком, подогревателями для предупреждения резкого охлаждения изделий в процессе наплавки и ее окончания. Наплавку производят в нижнем положении и прилегающие к наплавке поверхности деталей аустенитного класса, не подлежащие последующей механической обработке, для предохранения от попадания брызг защищают асбестом или другими огнестойкими материалами. Для предотвращения растекания наплавленного металла в доступных местах применяют медные или графитовые прокладки.

После наплавки охлаждение деталей осуществляют по следующим режимам:
а) при наплавке электродами 48Ж-1 в термоящиках под слоем песка или асбеста, причем крупногабаритные детали охлаждают в печи до температуры 350 - 400^oC или с помощью гибких электронагревателей до этой же температуры;
б) при наплавке электродами ЦН-6, ЦН-6Л крупногабаритные детали и узлы (D_у≥150мм) охлаждают вместе с печью до температуры 300-350^oC или сразу же подвергают термообработке, а малогабаритные детали (D_у < 150 мм) охлаждают в термоящиках под слоем песка или асбеста;
в) при наплавке электродами ЦС-1 деталей из углеродистых сталей детали всех размеров сразу же после окончания наплавки помещают в термическую печь при температуре 650-750^oC и охлаждают вместе с печью;
г) при наплавке электродами ЦН-2 детали всех размеров из стали 38ХМЮА после наплавки помещают в печь, нагретую до температуры 570-620^oC, а детали из сталей остальных марок до температуры не ниже 600-650^oC и подвергают термообработке;
д) при наплавке электродами ЦН-12М детали всех размеров из стали аустенитного класса, наплавленные электродами марки ЦН-12М непосредственно после наплавки помещают в печь, нагретую до температуры не ниже 600-650^oC, и подвергают термообработке.

При невозможности немедленного проведения термообработки наплавленные детали с D_у≥ 65мм из коррозионно-стойкой стали аустенитного класса и стали перлитного класса охлаждают в горячем песке или печи с последующим обязательным проведением термообработки.

Наплавку производят непрерывно. Снижение температуры деталей ниже значений, указанных в табл.2, не допускается.

Общее время нахождения деталей из коррозионно-стойких сталей аустенитного класса при температуре 600-800^oC, включая и время подогрева и время нахождения в печи до выхода на режим обработки, не должно превышать 5 ч.

Рекомендуемые режимы наплавки для ручной сварки приведены в табл.3.

Термическую обработку наплавленных изделий производят с соблюдением следующих требований:
1) термоэлектрические термометры печей должны быть метрологически аттестованы;
2) печи должны пройти тепловую проверку метрологическим тестированием;
3) печное оборудование и контрольно-измерительные приборы должны быть метрологически аттестованы и протестированы не реже 1 раза в квартал.

В процессе наплавки контролируют: а) температуру предварительного и сопутствующего подогрева при плавке подслоя и уплотнительной поверхности, б) режимы наплавки и термической обработки, в) время пребывания деталей из коррозионно-стойкой стали в печи в интервале температур 450-800^oC.

Наплавленные поверхности до механической обработки контролируются внешним осмотром и измерением, а окончательный контроль и приемка наплавленных изделий после механической обработки включают:
а) внешний осмотр и контроль размеров;
б) капиллярную дефектоскопию;
в) измерение твердости наплавленного слоя;
г) испытание соединения наплавленного металла с основным в сборе на герметичность.

Внешний осмотр и контроль размеров наплавленных поверхностей изделий производят для всех типов наплавок и служит для выявления следующих дефектов:
а) трещин, пор, раковин, шлаковых включений в наплавленном металле и околошовной зоне;
б) наплывов и подрезов на границе оплавления наплавленного металла с основным металлом;
в) несоответствие размеров наплавки заданным в чертежах или технологической документации.

До механической обработки на поверхности наплавки допускаются поры, раковины, шлаковые включения, усадочные рыхлоты, неровности, чешуйчатость, имеющие глубину не более 2/3 припуска на механическую обработку. Трещины в наплавке не допускаются. После окончательной механической обработки на уплотнительных поверхностях при контроле внешним осмотром:
а) в изделиях с D_у до 200 мм, а также в изделиях с D_у от 200 до 300 мм с шириной уплотнительного пояска до 5 мм включительно дефекты не допускаются;
б) в изделиях с D_у от 200 до 300 мм допускаются отдельные поры, раковины, шлаковые включения размером не более 1,0 мм в зависимости от ширины уплотнительного пояска в количестве:
не более 2-х штук при ширине пояска 6 20 мм;
не более 5-и штук при ширине пояска 20 40 мм.

Расстояние между дефектами должно быть не менее 20 мм. Допускаемые дефекты не должны влиять на герметичность затвора. На боковых (неуплотнительных) поверхностях допускаются поры, раковины и шлаковые включения размером не более 1,0 мм при расстоянии между ними не менее 20 мм.

В наплавке с ножевым и конусным уплотнением:
а) по линии или пояску дефекты не допускаются;
б) на расстоянии не менее 2,5 мм от линии пояска или уплотнения допускаются поры и шлаковые включения размером не более 1,0 мм в количестве не более трех штук при расстоянии между ними не менее 20 мм.

В наплавке направляющих поверхностей допускаются следующие дефекты:
а) поры, раковины и шлаковые включения размером не более 1,5 мм и глубиной до 0,5 мм в количестве не более двух штук на площади 25 см²;
б) скопление мелких пор площадью не более 0,4 см² в двух местах с максимальным размером поры не более 0,5 мм при отсутствии других дефектов.

Сущность способа состоит в том, что, подвергая термообработке определенные марки сталей, исходя из физико-химических свойств металлов, устанавливают режимы наплавки износостойкими материалами уплотнительных и трущихся поверхностей трубопроводной и котельной арматуры и деталей судового машиностроения ручным электродуговым способом. Наплавка повышает износостойкость уплотнительных и трущихся поверхностей судовой арматуры и деталей судового машиностроения, работающих в условиях агрессивных сред, повышенных температур и давлений, и на 130-180% увеличивает их срок службы.

Преимущества способа заключаются в том, что, производя оптимальный подогрев наплавленных деталей с учетом материала электродов и материала наплавляемой детали, способствуют повышению прочности и твердости этих деталей и увеличивают почти в два раза срок их службы при работе в условиях высоких давлений, температур и агрессивных сред.

Использование заявляемого изобретения позволит значительно снизить энергоемкость процесса наплавки за счет оптимальных режимов подогрева наплавляемой детали и значительно увеличить их срок службы по сравнению с имеющимися классическими способами от 130 до 180%
Ожидаемый экономический эффект от внедрения заявляемого изобретения составляет 600-800 млн.руб./г.

Использование: наплавка трущихся и уплотнительных поверхностей износостойкими материалами в судостроительной промышленности и машиностроении. Сущность изобретения: согласно способу осуществляют предварительный нагрев детали, подготовленной для наплавки, в зависимости от конструктивных особенностей и доступности наплавку уплотнительных и трущихся поверхностей производят в специальную канавку или плоскую поверхность детали. Наплавку осуществляют от источника постоянного тока обратной полярности, оборудованного амперметром класса точности 1,5 для контроля сварочного тока. Наплавку производят не менее чем в три слоя при толщине каждого слоя не более 2,0 мм и ширине каждого наплавленного валика не более 25 мм, общая толщина наплавки составляет не менее 5 мм, что позволяет повысить качество восстанавливаемых деталей и увеличить их срок службы. 18 з.п. ф-лы, 3 табл., 2 ил.

1. Способ наплавки трущихся и уплотнительных поверхностей деталей износостойкими материалами, при котором производят предварительный подогрев детали, процесс наплавки ведут на обратной полярности от источника постоянного тока, после завершения наплавки деталь охлаждают, отличающийся тем, что наплавку осуществляют не менее чем в три слоя при толщине каждого слоя не более 2 мм и ширине каждого наплавленного валика не более 25 мм, а общая толщина наплавки составляет не менее 5 мм, при этом ток наплавки контролируют с помощью амперметра класса точности не менее 1,5. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что наплавку производят в канавку. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что разделку канавки выполняют с радиусом скругления не менее 5 мм. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что наплавку производят на поверхность детали. 5. Способ по любому из пп.1 4, отличающийся тем, что осуществляют ручную электродуговую наплавку покрытыми электродами. 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что осуществляют наплавку 48Ж-1, при этом охлаждение деталей после наплавки производят в термоящиках под слоем песка или асбеста. 7. Способ по п.5, отличающийся тем, что осуществляют наплавку электродами 48Ж-1 крупногабаритных деталей, при этом охлаждение деталей после наплавки производят в термической печи или с помощью гибких электронагревателей до 350 400^oС. 8. Способ по п.5, отличающийся тем, что осуществляют наплавку электродами ЦН-6 или ЦН-6Л, при этом детали диаметром, равным или более 150 мм, охлаждают после наплавки с печью до 300 350^oС или сразу подвергают термообработке, а детали диаметром более 150 мм охлаждают после наплавки в термоящиках под слоем песка или асбеста. 9. Способ по п.5, отличающийся тем, что осуществляют наплавку электродами ЦС-1 деталей из углеродистых сталей, при этом после окончания наплавки детали помещают в термическую печь при 650 750^oС и охлаждают вместе с печью. 10. Способ по п.5, отличающийся тем, что осуществляют наплавку электродами ЦН-2 деталей из стали 38ХМЮА, при этом после окончания наплавки детали помещают в термическую печь при 570 620^oС и подвергают термообработке. 11. Способ по п.5, отличающийся тем, что осуществляют наплавку электродами ЦН-2, при этом после окончания наплавки детали помещают в термическую печь при 600 650^oС и подвергают термообработке. 12. Способ по п.5, отличающийся тем, что осуществляют наплавку электродами ЦН-12М деталей из сталей аустенитного класса, при этом после окончания наплавки детали помещают в термическую печь при 600 650^oС и подвергают термообработке. 13. Способ по п.5, отличающийся тем, что осуществляют наплавку деталей из стали перлитного класса электродами ЦН-2 или ЦН-6, при этом производят предварительную наплавку электродами ЭА-395/9, или ЗИС-8, или ОЗЛ-6 одного промежуточного подслоя толщиной не менее 3 мм с предварительным подогревом деталей до 150 200^oС и замедленным охлаждением после наплавки в песке или под слоем асбеста. 14. Способ по любому из пп. 1 5, отличающийся тем, что осуществляют наплавку деталей из коррозионно-стойкой стали аустенитного класса или из стали перлитного класса, с диаметром не менее 65 мм, при этом после окончания наплавки детали охлаждают в горячем песке или в печи, а затем подвергают термообработке. 15. Способ по любому из пп.1 14, отличающийся тем, что производят предварительную механическую обработку поверхности деталей для подготовки их под наплавку. 16. Способ по п.15, отличающийся тем, что шероховатость обработанной под наплавку поверхности составляет не более 12,5 мкм. 17. Способ по любому из пп.1 16, отличающийся тем, что поверхность деталей на ширине не менее 20 мм от места наплавки перед ее началом очищают от загрязнений. 18. Способ по любому из пп.1 5, отличающийся тем, что осуществляют наплавку деталей из стали аустенитного класса в нижнем положении, при этом прилегающие поверхности, не подлежащие последующей механической обработке, защищают асбестом или другими огнестойкими материалами от брызг расплавленного металла. 19. Способ по любому из пп.1 18, отличающийся тем, что используют медные или графитовые накладки для предотвращения растекания наплавленного металла.