СПОСОБ ИНДУКЦИОННОЙ НАПЛАВКИ Российский патент 1998 года по МПК B23K13/02 

Предлагаемое изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для повышения износостойкости различных деталей и узлов, работающих при ударных нагрузках.

Известен способ индукционной наплавки (см. патент России N 2058866, кл. B 23 K 13/01), при котором на наплавляемую деталь наносят шихту в виде частиц с острыми кромками для создания краевого эффекта.

Недостатком известного способа является то, что с помощью краевого эффекта, возникающего в частицах с острыми кромками, происходит быстрый разогрев всего объема шихты до расплавления, но не решается проблема соединения основного металла с наплавленным с заданными физико-механическими требованиями наплавленного слоя, что приводит к снижению качества наплавки и возможным сдвигам основного металла относительно наплавленного.

За прототип выбран способ индукционной наплавки (см. заявку N 95110096/08, положительное решение от 07.02.96 г.), заключающийся в том, что наплавляемую поверхность армируют прутками, которые заглубляют на половину их толщины в канавки, причем последние предварительно размечают по поверхности детали в определенном порядке в зависимости от ее конфигурации на сектора или участки, равные между собой по площади, и наносят механическим путем глубиной, равной половине ее ширины, при этом в качестве прутка используют проволоку разного сечения или металлическую крошку, которой засыпают канавку.

Однако армирование, позволяющее снизить напряжение в наплавленном металле на больших поверхностях трения крупногабаритных изделий, не снимает вопроса концентрации напряжений в переходной зоне, (т.е. шихта - основной металл), который возникает в результате различного коэффициента теплового расширения сплава и основного металла. Это обстоятельство приводит к высоким напряжениям в зоне сплавления наплавленного и основного металла и в условиях работы при больших динамических нагрузках отрицательно сказывается на прочность сцепления, а соответственно и на качество наплавки.

Цель изобретения - повысить качество наплавки за счет увеличения прочности сцепления наплавляемого слоя с основным металлом и повышения контактной прочности биметалла.

Сущность предложенного способа поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена наплавляемая поверхность с буферной зоной, выполненной в различных вариантах:
а) - фрагмент буферной зоны, выполненной с прямоугольными канавками;
б) - вариант треугольных канавок;
в) - вариант синусоидальных канавок;
г) - вариант канавок в виде полуокружностей; на фиг.2 - схема и график работы буферной зоны при статической нагрузке; на фиг.3 - схема и график работы буферной зоны при смешанном нагружении; на фиг. 4 - схема и график работы буферной зоны при повышенной ударной вязкости; на фиг.5 - хвостовик автосцепки.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

На упрочняемой поверхности изделия перед наплавкой выполняют рельеф, который может быть выполнен в виде прямоугольных канавок (см. фиг.1,а), треугольных (см.фиг.1,б), синусоидальных или полуокружностей (см.фиг.1,в,г).

Нарезают канавки посредством металлорежущего инструмента, например фрезой, резцом или отрезным камнем в направлении, перпендикулярном движению пары трения. Глубину канавки h определяют из условия, что она должна быть в два раза больше глубины проникновения Δ, тока при индукционном нагреве, т.е. h ≥ 2Δ. При этом глубина проникновения тока, определяемая по эмпирической формуле
мм,
где
Δ - глубина проникновения тока (т.е. это толщина слоя, в котором выделяется основное количество, мм тепла при принудительном нагреве);
f - частота переменного тока в индукторе, кГц.

Кроме того, шаг и профиль канавок задают, исходя из технических требований, предъявляемых к зоне сцепления наплавленного слоя с основным, к так называемой буферной зоне. Эту зону создают как по ширине всей наплавки, так и в определенных зонах, где необходимо искусственно увеличить контактную поверхность между основным металлом и наплавляемым для повышения механических свойств повышенной вязкости.

Буферные зоны могут чередоваться с разными разрывами в зависимости от рабочих условий работы деталей и узлов (см. фиг.1).

При необходимости работы буферной зоны в режиме статических нагрузок и отсутствии ударов, канавки нарезают прямоугольными (см. фиг.1, а), при этом глубину h определяют в зависимости от Δ глубины проникновения тока, а шаг L = 2 l, где L - шаг, l - расстояние между канавками профиля.

Из графика (см. фиг.2) работы прямоугольного рельефа видно, что при работе буферной зоны при статических нагрузках износостойкость постоянна, а места концентрации напряжений не влияет на ударную вязкость наплавленного слоя.

В случае работы буферной зоны при смешанных нагружениях, а именно статистических и одновременно ударных, канавки выполняют треугольными (см.фиг. 1, б), при этом глубину определяют в зависимости от Δ глубины проникновения тока, а шаг Из графика (см.фиг.3) видно, что износостойкость переменна и связана с величиной износа буферной зоны прямолинейной зависимостью. В местах концентрации напряжений переходы от наплавленного слоя к основному материалу меньше проявляются по углам их перехода.

При работе буферной зоны в режиме удара при повышенной ударной вязкости, канавки выполняют овальной формы, например синусоидальной или в виде полуокружностей (см. фиг.1 в,г), при этом глубину определяют также в зависимости от глубины проникновения тока, а шаг
(для синусоидальной канавки).

(для полуокружности).

График фиг. 4 отражает, что при овальной нарезке канавок буферная зона наиболее благоприятно работает в режиме ударов, т.к. концентраторы напряжения в переходных зонах наплавленного и основного металла находятся в синусоидальной плоскости.

Износостойкость в зависимости от износа изменяется также криволинейно.

После выполнения наплавляемой поверхности рельефной на нее наносят слой шихты толщиной, необходимой для заполнения канавок и с последующей усадкой при расплавлении.

Затем упрочняемую поверхность вводят под индуктор и наплавляют индукционно-металлургическим способом. Далее деталь или изделие остывает на воздухе и в процессе остывания происходит самоотделение шлака.

Пример.

Исходные данные для наплавки ударной части хвостовика автосцепки:
толщина наносимого слоя шихты 5⁺¹ мм;
интенсивность нагрева 70 - 110 ^oC/с;
скорость перемещения детали под индуктором 1,5-2,5 мм/с.

частота переменного тока индуктора 440 кГц. Зазор между основным металлом и плавящим витком индуктора 2-2,5 мм. Зазор между подогревающим витком и основным металлом 6-7,5 мм.

Технологические операции при наплавке торцевой поверхности хвостовика автосцепки.

Размечают на наплавляемой поверхности канавки в направлении, перпендикулярном кривой затылка. Затем нарезают овальные канавки глубиной h = 2 мм, l = 4 мм, с шагом L = 1,57 l; L = 1,57x4=6,28 мм с помощью фрезы (см. фиг.5). После этого устанавливают корпус автосцепки на манипулятор, закрепляют его и нагревают торцевую поверхность до температуры 500 - 650^oC. Затем наносят на торцевую поверхность хвостовика слой шихты.

Сплав ПГ-УС435-82% и боросодержащий флюс НП-2 - 18% толщиной 5⁺¹ мм. Замеряют толщину слоя на выступах.

Перемещают корпус автосцепки под индуктором в продольном направлении, производя последовательное расплавление шихты на всей упрочняемой поверхности. После этого корпус снимают с манипулятора и охлаждают упрочняемую поверхность, в процессе чего происходит отделение шлаковой корки с поверхности наплавленного сплава. При обнаружении местных выступов производят зачистку упрочняемой поверхности.

Наплавку сопрягаемой с торцевой поверхностью хвостовика упорной плиты производят сплошным слоем сплава ПГ УСЧ-35 толщиной 1,5^+0,5 мм с использованием специального кантователя, обеспечивающего горизонтальное положение жидкой ванны.

Использование предложенного способа наплавки позволяет за счет выполнения наплавляемой поверхности рельефной, увеличивать контактную поверхность между основным металлом и шихтой, обеспечивая прочность их сцепления, а выполнение рельефа в виде канавок различного профиля позволяет программировать свойства буферной зоны в зависимости от условий ее работы, что повышает качество наплавки.

Кроме того, рельефность наплавляемой поверхности позволяет повысить интенсивность нагрева основного металла, т.к. в гранях канавок под действием краевого эффекта образуются встречные тепловые потоки, создавая стабильную толщину буферного слоя за счет заполнения канавок наплавленным сплавом. Это обстоятельство не только повышает производительность наплавки, а главное исключает разрушение переходной зоны при работе узлов и деталей на сдвиг с большими ударными нагрузками.

Способ индукционной наплавки относится к машиностроению и может быть использован для повышения износостойкости различных деталей и узлов, работающих при высоких ударных нагрузках. Перед наплавкой на упрочняемой поверхности создают буферные зоны посредством нанесения на нее рельефа в виде канавок. Канавки нарезают в направлении, перпендикулярном движению пары трения. Шаг и профиль последних задают исходя из запрограммированных технических требований к буферному слою. Глубину канавок задают в соответствии с зависимостью: h≥ 2Δ, где h-глубина канавки, мм: Δ - глубина проникновения тока при индукционном нагреве, мм. Кроме того, профиль канавок выполняют прямоугольным, треугольным или овальным, увеличивая при этом контактную поверхность между сплавом и основным металлом в зависимости от условий работы буферной зоны. Способ позволяет повысить качество наплавки за счет увеличения прочности сцепления наплавленного слоя с основным металлом. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ индукционной наплавки, включающий нарезку механическим путем на наплавляемой поверхности канавок с последующим нанесением наплавочной шихты, обработку ее индуктором до расплавления и чистовую обработку, отличающийся тем, что перед наплавкой на определенных участках упрочняемой поверхности создают буферные зоны посредством нанесения на нее рельефа в виде канавок, которые нарезают в направлении, перпендикулярном движению пары трения, а шаг и профиль последних задают, исходя из запрограммированных технических требований к буферному слою, при этом глубину h канавок задают в соответствии с зависимостью
h≥2Δ,
где
Δ- глубина проникновения тока при индукционном нагреве. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при статическом нагружении буферной зоны профиль канавок выполняют прямоугольным. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при работе буферной зоны в смешанном режиме, а именно статическом и ударном, профиль канавок выполняют треугольным. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при ударных нагрузках профиль канавок выполняют овальным.