СПОСОБ ОДНОСТОРОННЕЙ НЕПРЕРЫВНО-ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ ИНДУКЦИОННО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ НАПЛАВКИ Российский патент 1998 года по МПК B22D19/00 C23C26/00 

Изобретение относится к машиностроению, в частности, к индукционно-металлургическим способам восстановления и упрочнения крупногабаритных деталей во всех отраслях народного хозяйства.

Известны металлургические особенности индукционной наплавки (Индукционная наплавка твердых сплавов /В.Н. Ткачев, Б.M. Фиштейн, Н.В. Казинцев.- М.: Машиностроение, 1970, с. 31), заключающиеся в том, что токи высокой частоты при высокой температуре и значительных различных химических составах взаимодействующих компонентов создают благоприятную почву для развития диффузионных процессов как в исходных материалах, так и на взаимных поверхностях раздела между твердым сплавом, основным металлом и шлаком.

Однако эта технология относится к нагреву петлевых индукторов для наплавки внутренним полем и применяется для изделий небольших размеров, что сужает технологические возможности наплавки.

Известен способ наплавки (а. с. СССР 1516279, кл. B 23 K 13/00, Б 39, 1989), при котором на изделие с нанесенной на него шихтой дополнительно воздействуют излучением лазера, совмещая при этом передние фронты воздействия током высокой частоты и лазером, мощность излучения лазера поддерживают величиной 0,01-0,1 мощности ТВЧ, а площадь зоны воздействия лазера устанавливают в пределах 0,1-0,8 от площади зоны воздействия током высокой частоты.

Недостатком известного способа является то, что использование лазера предусматривает работу щелевого индуктора, поэтому производительность процесса будет намного ниже, чем при односторонней непрерывно-последовательной наплавке.

Кроме того, щелевой индуктор не позволяет осуществлять наплавку крупногабаритных изделий, так как размеры индуктора будут их ограничивать.

За прототип выбран способ индукционной наплавки, описанный в работе индуктора для односторонней непрерывно-последовательной наплавки внешним полем (патент РФ 2026610, кл. H 05 B 6/00, B 22 D 19/00, N 1, 1995), заключающийся в том, что наплавляемую деталь, перемещающуюся под индуктором, предварительно нагревают пассивным витком, а основной нагрев до расплавления шихты осуществляют под активным витком.

Недостатком такого способа наплавки является то, что его технология не предусматривает регулирования зазора между ветвями для обеспечения максимальной интенсивности нагрева и протекания активного перемещения жидкого металла, что существенно отражается на качестве наплавляемого слоя.

Кроме того, при использовании способа на больших поверхностях (крупногабаритных изделиях) без хорошо организованного процесса вымешивания, где подразумевается регулирование емкости индуктора зазором между ветвями и соблюдением определенных зазоров между ветвями индуктора и основным металлом, валик расплавленного металла будет недостаточно вымешан, что снизит КПД наплавки и сузит технологические ее возможности.

Цель изобретения - повысить качество индукционно-металлургической наплавки и расширение ее технологических возможностей.

Цель достигается тем, что в известном способе индукционно-металлургической наплавки, включающем нанесение шихты на изделие, перемещение его относительно индуктора, пассивная ветвь которого осуществляет предварительный нагрев изделия, а основной нагрев до раскисления шихты производят под активным витком, при этом пассивную и активную ветви индуктора устанавливают под наплавляемым изделием на разную величину зазора, пассивную ветвь располагают на величину насыпаемой шихты, а активную ветвь индуктора размещают на толщину наплавляемого слоя, при этом интенсивность нагрева под каждой ветвью индуктора соответствует зависимости:

где
J_i - интенсивность нагрева металла под ветвью индуктора, град/с;
J₍₁₎ - интенсивность нагрева под ветвью индуктора при зазоре, равном 1 мм, град/c;
Δ^1,4-1,5 - зазор между ветвью индуктора и основным металлом изделия мм.

Кроме того, ветви индуктора под воздействием электромагнитного поля токов высокой частоты создают в поверхностном слое изделия наводящие токи, направленность которых такая же, как и в валике расплавленной шихты, причем токи способствуют металлургическому процессу перемешивания жидкого металла в сварочно-наплавочной ванне, при этом улучшая раскисление и обеспечивая стабильность состава металла по всему объему.

На фиг. 1 изображена общая схема индукционно-металлургического способа; на фиг. 2 - график зависимости интенсивности нагрева от зазора между ветвями индуктора и основным металлом.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Индуктор для односторонней непрерывно-последовательной наплавки (фиг. 1) размещают над изделием 1 таким образом, что зазор h между пассивным витком 2 и металлом изделия равен толщине слоя шихты 3. Зазор Δ между активным (плавящим) витком 4 и основным металлом изделия равен толщине наплавляемого слоя (b). При этом форма витка 3 должна быть каплевидной. Расстояние между ветвями индуктора зависит от толщины направляемого слоя, чем меньше толщина наплавки Δ, тем ближе должны быть сближены витки индуктора.

После установки индуктора начинается технологический процесс наплавки.

В течение 10-30 с греют шихту до ее расплавления (образуется жидкий металл).

В момент появления жидкого металла зазор между индуктором и основным металлом уменьшается до величины 2/3 насыпки шихты.

Деталь перемещают относительно индуктора со скоростью, обеспечивающей стабильное расплавление наплавленной шихты.

Интенсивность нагрева индуктора в случае нагрева внешним полем устанавливается за счет зазора между активным витком и основным металлом и в этом случае подчиняется зависимости:

где
J_i - интенсивность нагрева, ^oC/с;
J₍₁₎ - интенсивность нагрева при зазоре между плавящим витком индуктора и поверхностью ванны, равном 1 мм;
Δ^1,4-1,5 - зазор, обеспечивающий интенсивность нагрева.

Рассматривая график (фиг. 2) зависимости интенсивности нагрева при прочих равных параметрах от зазора между основным металлом и активным витком, видно что, чем меньше зазор, тем больше интенсивность нагрева, а соответственно выше производительность нагрева.

Таким образом, рассматривая поэтапные процессы индукционно-металлургического способа, можно выделить три этапа:
I - в момент подачи ТВЧ на индуктор под витком 2 (фиг. 1а) происходит расплавление флюса и резко улучшается теплопередача от основного металла к слою шихты;
II - под воздействием активного витка (фиг. 1б) происходит расплавление слоя шихты и интенсивное перемешивание жидкого сплава, что обеспечивает стабильность наплавляемого сплава и хорошее раскисление и выведение газа и неметаллических включений;
III - под воздействием электромагнитного поля под активным витком 4 наблюдается придавливание жидкого металла до величины 0,4-0,5 b, где b - толщина наплавленного металла после кристаллизации (фиг. 1в).

При прохождении переменного электрического тока по активной ветки 4 (фигурному проводнику) в нем появляются в поверхностном слое токи высокой частоты, где магнитная составляющая H направлена по касательной к проводнику. В детали появляются наводящие токи того же направления, что и в валике расплавленной шихты, создавая условия для металлургического процесса вымешивания. Магнитные составляющие равномерно распределяют частицы зерен карбидных соединений в матрице расплавленного металла по всему объему наплавленного слоя.

Пример. Исходные данные для наплавки малого зуба корпуса автосцепки весом 160 кг: поверхность, подлежащая упрочнению 420 x 50 мм; толщина наплавленного слоя 1,5-2,0 мм; насыпной вес шихты 2,15 г/см³; удельный вес сплава 7,9 г/см³; толщина наносимого слоя шихты (теоретическая) 5,7 мм; толщина наносимого слоя шихты (заданная) 5,5 мм; зазор между основным металлом и плавящим витком индуктора во время процесса 2,2 мм; зазор между основным металлом и подогревающим витком индуктора во время процесса 6,0 мм; интенсивность нагрева 40-60^oC/с.

Технологические операции при наплавке малого зуба автосцепки:
Обмеряют шаблоном размеры поверхности зуба автосцепки с последующей ее зачисткой и установкой корпуса автосцепки в зажим манипулятора. Затем проверяют расположение упрочняемой поверхности относительно плавящей ветви индуктора и выводят упрочняемую поверхность из-под индуктора и наносят на нее шихту слоем 5,5 мм. После этого вводят начало упрочняемой поверхности под индуктор и включают нагрев в заданном режиме.

После образования на поверхности жидкой ванны зазор между индуктором и поверхностью упомянутой ванны уменьшают до 1 мм, и интенсивность нагрева возрастает до 80-100^oC/c. Далее равномерно перемещают под индуктором упрочняемую поверхность со скоростью 1,7-2,5 мм/с, обеспечивая последовательное расплавление шихты на всей упрочняемой поверхности.

Затем снимают корпус автосцепки с манипулятора, производят абразивную зачистку упрочняемой поверхности шлифмашиной и обмеряют шаблоном упрочненный зуб корпуса автосцепки.

Использование индукционно-металлургического способа наплавки позволяет за счет регулирования величины зазора между основным металлом и индуктором, а также заданной интенсивности нагрева последнего возможно осуществлять интенсивное вымешивание металла под воздействием ЭМП. Это обстоятельство повышает качество наплавки, так как хорошо организованный процесс (металлургического расплава) плавления сложнолегированных порошков улучшает процесс кристаллизации, выводя шлаки и газовые включения на поверхности расплавленной ванны. В связи с этим наплавленные слои металла имеют мелкую структуру зерна и наименьшие напряжения в переходной зоне наплавки к основному металлу из-за небольших тепловложений в единицу времени.

Кроме того, предложенный способ позволяет расширить технологические возможности индукционной наплавки, так как стало возможным осуществлять наплавку крупногабаритных изделий большой массы (буферные тарели, автосцепки, валки и шнеки кирпичных заводов, рабочие органы шпалоподбойных машин и др.) в связи с тем, что отвод тепла в глубину происходит довольно быстро.

Изобретение может быть использовано при восстановлении и упрочнении крупногабаритных деталей> Способ односторонней непрерывно-последовательной индукционно-металлургической наплавки включает размещение пассивной ветви индуктора над наплавляемым изделием с зазором соответствующим величине насыпаемой шихты, а активной ветви на - с зазором соответству- ющим толщине наплавляемого слоя, нанесение шихты на изделие, перемещение его относительно индуктора, пассивная ветвь которого осуществляет предварительный нагрев изделия, а основной нагрев до расплавления шихты производят под активным витком. 2 ил.

Способ односторонней непрерывно-последовательной индукционно-металлургической наплавки, включающий нанесение шихты на изделие, перемещение его относительно индуктора, пассивная ветвь которого осуществляет предварительный нагрев изделия, а основной нагрев до расплавления шихты производят под активным витком, отличающийся тем, что пассивную и активную ветви индуктора устанавливают над наплавляемым изделием на разную величину зазора, пассивную ветвь располагают на величину насыпаемой шихты, а активную ветвь - на толщину наплавляемого слоя, при этом интенсивность нагрева под каждой ветвью индуктора соответствует зависимости

где J_i - интенсивность нагрева металла под ветвью индуктора, град/с;
J₍₁₎ - интенсивность нагрева под ветвью индуктора при зазоре 1 мм, град/с;
Δ^1,4-1,5 - зазор между ветвью индуктора и основным металлом изделия, мм.