Способ наплавки

 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к способам наплавки цветных металлов на тугоплавкие заготовки, и предназначено для использования в узлах трения машин (например, блоков цилиндров аксиально-поршневых машин). На подготовленные для наплавки поверхности наносят модифицирующий сплав, нагрев тугоплавкой заготовки ведут до оплавления модифицирующего сплава, после чего заготовку и установленный в нее нагретый до температур солидус - ликвидус наплавляемый металл помещают в матрицу штампа и опрессовывают. 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к способам наплавки антифрикционных материалов (латуни, бронзы) на высокопрочные, тугоплавкие заготовки из черных металлов с использованием процессов полужидкой горячей штамповки методами совместного или раздельного нагрева.

Технология может быть использована для защиты сложных внутренних и внешних поверхностей изделий машиностроения антифрикционными сплавами (крупногабаритные и малогабаритные блоки цилиндров аксиально-поршневых гидромашин, биметаллических элементов гидроаппаратуры, сложных по профилю подшипников скольжения и др.) и найдет широкое применение в строительном, дорожном машиностроении, дизелестроении, судостроении и авиационной технике.

Способ наплавки особенно эффективен там, где требуются комбинированные методы производства биметаллических заготовок, например, для новой биметаллической конструкции стального блока аксиально-поршневой гидромашины, когда с точки зрения экономии дорогостоящих оловянистых бронз, снижения трудоемкости и повышения качества наплавки для наплавки сферы блока бронзой Бр 010С15Н2 используются известные способ наплавки или способ печной обработки в проходных печах "Малера" с защитной атмосферой, а для наплавки менее дефицитной латунью (основная масса наплавки) цилиндров блока может быть использован предлагаемый новый экономичный способ наплавки методом штамповки выдавливанием или полужидкой штамповки с совместным или раздельным нагревом тугоплавкой стальной заготовки и заготовки из латунного проката в виде трубы или проката сплошного сечения, что исключает литейный передел в общем цикле производства.

Рассмотренный в качестве прототипа способ наплавки имеет следующие недостатки: 1. Трудность обеспечения требуемого уровня механических свойств тугоплавкой заготовки при высокотемпературной обработки (нагрев заготовки до температур 1050^оС). Нагрев углеродистых сталей (Ст 45) свыше 950^о приводит к росту зерна, резкому снижению механических свойств, что особенно опасно для блоков гидромашин, работающих при циклических нагрузках, больших давлениях, в условиях усталостного разрушения. Кроме того, как показали исследования, высокотемпературная наплавка бронзой создает "эффект Ребиндера" глубокое проникновение меди в межкристаллитное пространство стали. Это, с одной стороны, является полезным фактором, создавая высокопрочные, качественные соединения основы с покрытием, с другой значительно снижает прочность тонкостенных перемычек между цилиндрами блока ("надрывы" в поверхностном слое) работающих при давлении до 320 кг/см² (а в перспективе до 450 кг/см²). Также необходимо учитывать и уменьшение толщины стальных перемычек за счет бронзового покрытия на 1 1,5 мм.

2. Высокая трудоемкость и металлоемкость производства. В зависимости от типа гидромашины производятся блоки с 7 или 9 цилиндрами. Для выпускаемых в настоящее время блоков, в количестве 140 150 тыс./год, лишь на одном предприятии по технологии прототипа потребуется изготовить: 140 тысяч стальных стаканов для формирования технологических ванн и 820 тысяч металлических стержней с обработанными отверстиями для их центрирования и с последующей герметизацией зазора между стержнем и заготовкой качественной сваркой. Как показали эксперименты, один из надежных способов герметизации тугоплавкой заготовки от вытекания из нее цветного сплава при температурах 980 1150^оС сплошная, качественная приварка стержней к заготовке в донной ее части. После расправления в тугоплавкой заготовке бронзы при температуре 1050 1100^оС и ее охлаждения стальные стаканы и стержни перерабатываются в стружку.

3. Сложность механизации и автоматизации процесса в крупносерийном производстве. Большое количество технологических процессов и операций по подготовке и сборке тугоплавкой заготовки к наплавке: сборка заготовки с формирующими стержнями, их центрирование, фиксация и последующая сварка, установка расплавляемой заготовки, графитовых, керамических крышек все это требует больших затрат ручного труда и трудно поддается механизации, что особенно необходимо в условиях крупносерийного производства.

3. Невозможность получения по технологии прототипа биметаллических заготовок с наплавками из различных сплавов (латунь, бронза). По условиям работы блока (линейная скорость поршней 2 4 м/с, давление 100 200 н/см²) нет необходимости наплавлять цилиндры дорогостоящей, дефицитной, оловянистой бронзой, которая обеспечивает работоспособность блока в контакте сферы и распределителя. Поэтому на заводах используют латунные блоки с наплавкой, сваркой на сферу бронзы, как наиболее экономичный вариант. Если наплавка бронзы на сферу стальной заготовки по технологии прототипа и возможна (перегрев, рост зерна, снижение прочности стальной основы), то получение по технологии прототипа после бронзирования сферы латунной наплавки исключается по следующим причинам: высокие температурные пределы плавления латуни (930 980^оС) перекрывают широкий температурный интервал плавления бронзы; отсутствие сцепления заливаемой латуни со стальной основой (зазоры); брак при свободной плавке латуни (пузыри, раковины и т.д.).

Предлагаемый способ наплавки устраняет перечисленные недостатки.

Цель изобретения разработка нового технологического процесса, позволяющего повысить качество наплавки и биметаллической основы, снизить трудоемкость и расход децифитного цветного металла (например, бронзы), устранение потерь при плавке цветного металла на угар, выплески, потерь на неточность дозировки вследствие исключения литейного передела.

Это достигается тем, что на очищенные и подготовленные наплавляемые поверхности предварительно наносят модифицирующий сплав, нагрев тугоплавкой, биметаллической заготовки ведут до оплавления модифицирующего сплава, после чего заготовку и нагретый до температур пластичности наплавляемый металл помещают в матрицу штампа и опрессовывают, что формирует при сравнительно невысоких температурах и давлении переходный слой, обеспечивающий сцепление и герметичность между стальной основой и наплавляемым металлом с использованием тепла соединяемых металлов. Сопоставительный анализ предлагаемого способа наплавки с прототипом показывает, что заявленный способ отличается от прототипа новыми признаками: 1. На наплавляемые поверхности тугоплавкой заготовки наносится модифицирующий сплав. Нагрев заготовки ведут до оплавления модифицирующего сплава таким образом, чтобы при установке заготовки в штамп сохранялось расплавленное покрытие из модифицирующего сплава на наплавляемых поверхностях. Наплавка выполняется способом пластической деформации наплавляемого цветного металла (например, латуни) через промежуточный подслой модифицирующего сплава с использованием в определенном интервале температур, тепла пластически деформируемого металла и заготовки. Температура плавления модифицирующего сплава на 100 450^оС ниже температуры солидуса наплавляемого металла, что позволяет в процессе запрессовки наплавляемого металла сохранять модифицирующий сплав в расплавленном состоянии и обеспечивать в процессе его охлаждения и кристаллизации надежное соединение наплавки с основой. При этом обеспечивается надежное заполнение сплавом всех зазоров, образующихся вследствие разности величин усадки наплавки при кристаллизации сплава и заготовки. Именно такой способ наплавки позволяет снизить уровень температурных режимов нагрева тугоплавкой заготовки и наплавляемого металла, что существенно снижает величины усадки разнородных материалов и внутренние напряжения в заготовке после запрессовки, а также позволяет наплавлять заготовки с бронзированными поверхностями (сфера блоков) без снижения эксплуатационных свойств бронзового покрытия. Например, нагрев бронзы Бр ОСН-10-2-3 выше 860 880^оС приводит к растворению эвтектоида, бронзовый слой становится однофазным, что снижает его износостойкость.

2. Низкотемпературный модифицирующий сплав состоит из взятых в определенных соотношениях элементов с широким интервалом кристаллизации (солидус) сплава олово-цинк, что дает возможность поддерживать сплав в жидком состоянии за весь период технологического цикла прессования и последующего плавного охлаждения опрессованной заготовки. Олово обеспечивает пластичность сплава и хорошие технологические свойства (при менее 30% олова сплав становится хрупким). Высокотемпературные добавки медь, никель увеличивают температуру плавления сплава (в соответствии с температурой нагрева заготовки под прессование), измельчают зерно, повышают механические свойства сплава. Возможно также с целью уменьшения коэффициента линейного расширения сплава модифицирование его специальными добавками (например, висмутом и др.).

3. Металл подается под давлением на наплавляемые поверхности с использованием тепла наплавляемого металла и предварительно нагретой заготовки и, перемещаясь в полостях заготовки, равномерно выдавливает модифицирующий сплав при высоком давлении по направляемым поверхностям, обеспечивая надежное соединение ювенально чистых поверхностей наплавляемого сплава с основой и высокое качество переходного слоя (без пор, раковин). При этом модифицирующий сплав используется (оставаясь при принятых температурных режимах прессования в жидком состоянии) как смазка, снижая коэффициент трения наплавляемого металла о заготовку, увеличивая тем самым глубину заполнения сложных полостей тугоплавкой заготовки. Это дает возможность одновременной наплавки группы отверстий или глубоких полостей со сложным профилем.

4. При прохождении деформируемого металла по поверхностям, покрытым расплавленным модифицирующим сплавом, создается эффект "выглаживания", наклепа и упрочнения перемычек блока, что имеет существенное значение, так как балки работают в режиме усталостного нагружения. При этом улучшается структура латуни происходит вытяжка и дробление интерметаллидов, что повышает износостойкость латуни. Кроме того, повышается прочность латуни в поперечном направлении. Таким образом, из сопоставительного анализа новых признаков заявляемый способ наплавки соответствует критерию изобретения "новизна". Сравнение заявляемого способа наплавки с другими техническими решениями показывает, что он имеет существенные отличия.

По сравнению с обычной штамповкой при принятом технологическом процессе стальная заготовка с покрытием из модифицирующего сплава и наплавляемым металлом используется как сменный разовый элемент штампа, что позволяет выполнить совмещенный технологический процесс наплавки и прессования за один цикл. Это повышает производительность, снижает трудоемкость и повышает стойкость и долговечность технологической оснастки. По сравнению с классической жидкой штамповкой предлагаемый технологический процесс исключает литейный передел в общем цикле производства (плавку цветного металла в печах ТВЧ неизбежен угар, потери на сплески; очистку металла от поверхностного флюса активированный уголь, шлаки и др. перед заливкой; дозирование металла из раздаточной плавильной печи специальные роботизированные устройства). В то же время предлагаемый процесс дает возможность использовать эффективную технологию жидкой штамповки, по предложенной схеме с учетом разработанной новой конструкции блока (имеется загрузочная полость) и, используя заготовку, с предварительно нанесенным высокотемпературным модифицирующим сплавом, как технологическую емкость, в которой осуществляется совместный нагрев и оплавление наплавляемого металла (например, латуни) до жидкокристаллического состояния ("каша") с последующей опрессовкой в штампе. В этом случае используется высокотемпературный модифицирующий сплав состава, медь 55; олово 20; цинк 24; никель 1 с температурой плавления 750 780^оС.

Все сказанное позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия". Сущность предлагаемой технологической схемы наплавки приведена на чертеже.

На предварительно подготовленные офлюсованные внутренние наплавляемые поверхности 1 тугоплавкой заготовки 2 наносится модифицирующий сплав в виде плакирующего покрытия и заготовка из накопителя устанавливается на тактовый стол, с которого после контактного нагрева током промышленной частоты до температуры, превышающей в 1,1 1,8 раза верхнее значение интервала плавления модифицирующего сплава, схватом робота устанавливается с оптимальным зазором в охлаждаемую водой матрицу штампа 3. Одновременно другая заготовка 4 из наплавляемого металла с тактового конвейера печи схватом робота после нагрева до температуры солидуса-ликвидуса наплавляемого металла (например, для латуни ЛМЦ 58-3-1,5-1,5-1) 800 850^оС устанавливается в полость заготовки 2 с ориентацией по рассекателю 5. Наплавка цветного сплава на внутренние поверхности тугоплавкой заготовки выполняется через кристаллизующийся модифицирующий сплав посредством пуансона 6. После выдержки под давлением (5 10 с), производится автоматический съем биметаллической заготовки толкателем 7 штампа. Разработанная технология позволяет исключить дорогостоящий литейный передел из цикла производства, повысить качество цветного металла и дает возможность использовать высокопроизводительные методы наплавки под давлением с использованием процессов как штамповки (без литья, используя загрузочную камеру заготовки). Кроме того, предложенный способ дает возможность наплавлять разнородные металлы (например, латуни и бронзы) на одну заготовку. Бронзовая наплавка из дефицитной, дорогостоящей оловянистой бронзы (например, Бр 010С ²Н³ или Бр012) на сферу блока, где требуется, исходя из условий работы, высокая прочность сцепления наплавки и высокие антифрикционные свойства (из-за худших показателей по износу латунь не может использоваться). Наплавка может выполняться на этом же штампе (по схеме сферой вверх) при сравнительно высоких уровнях нагрева заготовки (до 930 940^оС) и с использованием высокопрочного модифицирующего сплава в композиции с флюсом (объем плавки металла незначителен 120 130 г бронзы на заготовку). Наплавку же цилиндров целесообразно выполнять менее дефицитной и сравнительно дешевой латунью по предложенному способу наплавки (основная масса наплавки), где условия работы скорость скольжения, прочность сцепления менее жесткие, чем для сферы блока. Тем более, что в разработанной новой конструкции биметаллического блока обеспечивается надежная фиксация латунной наплавки от сдвига осевыми силами и вращающего момента торцовая полость, ребра жесткости, радиальная проточка. Это позволяет существенно снизить уровень температурных режимов наплавки, использовать низкотемпературные модифицирующие сплавы, более технологичные в работе. При необходимости повышения прочности соединения латунной наплавки с основой разработан высокотемпературный сплав на медной основе и возможна дальнейшая отработка составов и сплавов с целью повышения их прочности и вибростойкости (например, медно-марганцевистые сплавы).

Таким образом, разработанный технологический процесс состоит из следующих основных этапов (маршрутная технология): 1. Штамповка тугоплавкой заготовки из ст 4ОХ на автоматической линии штамповки, состоящей из кривошипно-шатунного пресса КО336 с механизированной подачей и выдачей заготовок с нагревом Т.В.Ч.

Режим. Температура обработки: начало 1100±90^оС, конец 940±20^оС, штучное время 0,28 мин.

Штампуемая сфера, торцовая полость с ребрами, рассекатель. Поковка, по сравнению с прокатом, имеет более высокую прочность в поперечном направлении (что важно для блока), волокнистую, мелкозернистую структуру.

2. Механическая обработка заготовки под наплавку.

токарная с ЧПУ обтачивание наружного диаметра, торца, проточка кольцевого паза (скорость резания 100 м/мин, подача 190 мм/мин, штучное время 2,4 мин); агрегатная сверление отверстий цилиндров, снятие фасок (скорость резания 80 150 м/мин, подача 0,1 мм/мин, штучное время 2,6 мин).

3. Обезжиривание заготовок в струйной моечной машине щелочным раствором, промывка холодной, горячей водой, сушка.

4. Нанесение флюса и модифицирующего сплава на наплавляемые поверхности напылением (заливкой). Промывка горячей водой. Сушка.

5. Оплавление модифицирующего сплава нагревом токами промышленной частоты.

Режим. Температура заготовки: начало 20^оС, конец 850^оС, штучное время 2 мин.

6. Наплавка латунью штамповкой на прессе (или роторном автомате).

Режим. Температура латунной заготовки 800 850^оС; температура стальной заготовки с покрытием из модифицирующего сплава 450 850^оС; удельное давление штамповки (на металл) до 20 кг/мм²; выдержка под давлением 5 10 с; дно матрицы штампа нагревается спиралями до температур 250 350^оС; боковые поверхности матрицы штампа охлаждаются водой, штучное время 1,4 1,7 мин.

7. Окончательная механическая обработка блоков, ультразвуковой контроль качества наплавок на установке "ТИДЕ" (ФРГ). По предложенной технологии наплавки сокращается объем предварительной механической обработки заготовки (исключается операция фрезерования).

Предложенный способ наплавки подтверждается следующими данными, обеспечивающими достижение цели.

1. Повышение прочности тонких перемычек стальной заготовки блока вследствие их наклепа и упрочнения (вытяжка).

2. Повышение качества наплавляемого металла вследствие улучшения структуры в процессе прессования (улучшенная мелкозернистая структура, вытяжка и дробление интерметаллидов, повышение прочности в поперечном направлении).

3. Снижение уровня температурных режимов обработки биметаллической заготовки снижает температурные напряжения и величину усадки различных материалов. Дает возможность получать комбинированные заготовки с различными сплавами.

4. Снижается трудоемкость производства биметаллических заготовок за счет исключения литейного передела в общем цикле производства и уменьшение объема механической обработки.

Применение в промышленности новой технологии наплавки позволит: повысить качество стальной основы и наплавки биметаллической заготовки; снизить трудоемкость и себестоимость производства;
автоматизировать технологический процесс;
расширить область применения наплавки (возможно получение заготовок с наплавкой различными антифрикционными сплавами).

К недостатку метода следует отнести невозможность наплавки хрупких материалов и если наплавленный материал обладает низкой пластичностью.

Формула изобретения

1. СПОСОБ НАПЛАВКИ, включающий нагрев тугоплавкой заготовки, предназначенной для наплавки, размещение наплавляемого материала в заготовке с предварительно установленными в ней одноразовыми формирующими стержнями, охлаждение заготовки и демонтаж стержней, отличающийся тем, что на поверхности заготовки, подготовленные для наплавки, наносят модифицирующий сплав, нагрев заготовки ведут до оплавления последнего, после чего заготовку с размещенным наплавляемым материалом, нагретым до температур солидус-ликвидус, помещают в матрицу штампа и опрессовывают.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев тугоплавкой заготовки ведут до 450 850^oС, а в качестве модифицирующего сплава используют состав, содержащий олово, цинк, медь и никель при следующем соотношении компонентов, мас.

Олово 56,3 60,3
Цинк 37 39
Медь 0,7 1,0
Никель 2 4
с температурой плавления 360 450^oС.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что опрессовку в процессе наплавки осуществляют при удельном давлении на наплавляемый металл до 20 кг/мм² при охлаждении заготовки с 850 до 450^oС.

РИСУНКИ

Рисунок 1