Экспериментально-теоретические исследования процесса плазменной наплавки шеек коленчатых валов.

Относительная износостойкость наплавленных слоев и вкладышей. Сопротивление усталости коленчатых валов, наплавленных различными композициями.

Экспериментально-теоретические исследования процесса плазменной наплавки шеек коленчатых валов комбинированным способом показали, что наплавка на выбранных режимах обеспечивает предварительный подогрев вала после наплавки первых двух валиков. При наплавке последних валиков на цилиндрическую часть шейки температура повышается до 650°С. Эффективная мощность изменяется в небольших пределах (I=190-:-220 А; U = 30-:-35 В; и=0,7).

Отдельные элементы шеек коленчатого вала (цилиндрическая часть, галтели) в силу своих конструктивных особенностей и неравнопрочности в процессе эксплуатации воспринимают различные напряжения. При этом наиболее интенсивное накопление усталостных дефектов приходится на галтели, что подтверждается эксплуатационными разрушениями по щекам. Поэтому выбор оптимальных режимов наплавки и оптимального состава наплавочных материалов проводили с учетом особенностей работы этих элементов.

При использовании композиций «порошок - проволока» в различных соотношениях (рис. 49) для наплавки без трещин цилиндрической части шеек пригодны следующие:

1) порошок ПГ-С27 (8-13%)+проволока Нп-30ХГСА (87- 92%), кривая 1;

2) порошок ПГ-С27 (10-18%)+ проволока Св-08МХ (92- 90%), кривая 2;

3) порошок ПГ-СР4 (10-40%)+проволока Нп-30ХГСА (60- 90%), кривая 5;

4) порошок ПГ-СР4 (15-50%) + проволока Св-08МХ (50- 85%), кривая 4;

5) порошок ПГ-СР4 (0-50%)+проволока Св-04Х19Н9 (50- 100%), кривая 5.

Рис. 49. Зависимость твердости наплавленных слоев HRC от расхода порошка Gп и проволоки Gпр при наплавке следующими композициями:

1 - порошок ПГ-С27 (8-13%) +проволока Нп-30ХГСА (87-92%); 2 - порошок ПГ-С27 (10-18%) +проволока Св-08МХ (82-90%); 3- порошок ПГ-СР4 (10-40%) + проволока Нп-30ХГСА (60-90%); 4 - порошок ПГ-СР4 (15-50%) +проволока Св-08МХ (50-85%); 5 - порошок ПГ-СР4 (0-50%) + проволока Св-04Х19Н9 (50-100%)

Наплавка композициями в других соотношениях сопровождается возникновением пор и трещин. Поры образуются в основном при уменьшении количества порошка в композиции.

Для наплавки галтелей из приведенных композиций пригодны следующие (на рис. 49 указаны штриховыми линиями):

1) порошок ПГ-СР4 (25-32%)+проволока Нп-30ХГСА (68- 75%), кривая 3;

2) порошок ПГ-СР4 (25-30%)+проволока Св-08МК (65- 75%), кривая 4;

3) порошок ПГ-СР4 (0-35%)+проволока Св-04Х19Н9 (65- 100%), кривая 5.

Композиции, обеспечивающие максимальную твердость наплавленных слоев, были испытаны на износостойкость. Образцы, изготовленные в виде роликов диаметром 88 мм, испытывали на машине трения СМЦ-2 по схеме вал - частичный вкладыш. Толщина наплавленного слоя 1 мм на сторону. Величину износа определяли взвешиванием образцов на аналитических весах. По результатам испытаний на износ (рис. 50) видно, что наибольшей износостойкостью, по сравнению со сталью 45, закаленной с нагревом ТВЧ, обладают образцы, наплавленные композициями 2, 5, 6, 7. Однако для наплавки цилиндрической части шеек наиболее удовлетворяют композиции сплавов 2 и 6, которые обеспечивают высокую износостойкость при наименьшем износе вкладышей. Композиции 5 и 7 обладают высокой износостойкостью, но быстро изнашивают вкладыши.

Рис. 50. Относительная износостойкость наплавленных слоев и вкладышей (заштрихованы):

1 - сталь 45, закаленная ТВЧ; 2 - проволока Св-08МХ (88%) - порошок ПГ-СР4 (12%); 3 -проволока Св-08МХ (85%)-порошок ПГ-С27 (15%); 4- проволока Св-08МХ (80%) - порошок ПГ-СР4 (20%); 5 - проволока Св-04Х19Н9 (60%)- порошок ПГ-СР4 (40%); 5-проволока Нп-30ХГСА (90%)- порошок ПГ-С27 (10%); 7 - проволока Св-08МХ (60%)-порошок ПГ-СР4 (40%); 8 - проволока Нп-30ХГСА (90%) -порошок ПГ-СР4 (10%)

Остаточные напряжения в поверхностных слоях определяли методом полной нагрузки. Наилучшими композициями, обеспечивающими в наплавленных слоях цилиндрической части шейки и в галтели сравнительно высокие напряжения сжатия (180- 220 МПа), являются следующие: для галтелей - порошок ПГ-СР4 (20%)+проволока Св-08МХ или Св-08Г2С (80%); для цилиндрической части шейки -порошок ПГ-СР4 (12%) + проволока Св-08МХ или Св-08Г2С (88%).

С увеличением в композиции порошка более 35% сжимающие напряжения переходят в растягивающие остаточные напряжения, что объясняется переходом аустенитно-мартенситной структуры в аустенитную. По этой же причине наблюдается значительное возрастание остаточных растягивающих напряжений при наплавке аустенитной проволокой Св-04Х19Н9 в любом сочетании с порошком ПГ-СР4.

С целью установления взаимосвязи между остаточными напряжениями, сопротивлением усталости, с одной стороны, и структурой наплавленного слоя, зоны сплавления, зоны термического влияния с другой стороны, были проведены металлографические исследования и определен химический состав наплавленного слоя. Наплавка выполнена на галтель композицией порошок ПГ-СР4 (20 %) + проволока Св-08МХ (80%), на шейку - композицией ПГ-СР4 (12%) + Св-08МХ (88%).

Заслуживает внимания образование ячеисто-дендритной структуры в зоне основного металла, примыкающей к зоне сплавления (околошовная зона). Образование такой структуры связано с тепловым режимом наплавки шеек, выполняемой по винтовой линии с одновременными колебаниями плазмотрона и шагом, предусматривающим перекрытие наплавленного предыдущего слоя не менее чем наполовину. В результате повторного воздействия сжатой дуги происходит частичное расплавление предыдущего слоя и оплавление околошовной зоны с образованием локальных участков, внедрившихся в виде прожилок в основной металл (рис. 51, а). В работах [39, 64] отмечается, что» получению подобной структуры способствует разница в температурах плавления наплавочного и основного металлов. Более легкоплавкий наплавочный материал из аустенитного металла проникает по оплавленным границам зерен в глубь основного металла в виде локальных клиньев, не перемешиваясь с последним.

Рис. 51. Микроструктуры:

а - зона сплавления; б - околошовной зоны

Известно, что на изношенных шейках коленчатых валов, как правило, имеются трещины, которые в процессе наплавки и кристаллизации перемешанного металла могут расти и способствовать возникновению надрывов. Вероятнее всего, применение легкоплавкого присадочного металла позволяет залечивать такие трещины и получать монолитные соединения.

На рис. 51, б показана микроструктура, выполненная в интерференционном свете, где на отдельных участках границы сплавления видно проникание наплавленного металла в основной.

Микротвердость участков, внедренных в основной металл, такая же, как у наплавленного металла Н 5300-:-4900, зоны сплавления Н 3400-:-2800, основного металла Н 2600-:-2300. Твердость по длине шейки HRC 45-50, галтелей HRC 32-38 (рис. 52).

Рис. 52. Распределение твердости по длине шейки коленчатого вала

Таким образом, образование из легкоплавкого металла в околошовной зоне локальных участков, чередующихся с металлом основы, позволяет не только устранить трещины в зоне соединения, но также повысить ее пластичность и способность к релаксации напряжений.

Испытания на сопротивление усталости коленчатых валов проводили на универсальной машине УМ-4М по методике ступенчато возрастающих нагрузок по методу Локати (табл. 24).

Таблица 24. Сопротивление усталости коленчатых валов, наплавленных различными композициями

Анализ слоев, наплавленных на шейки вала по варианту 1, показал следующее содержание элементов: на галтели - 0,24% С, 9% Ni, 2,5% Cr, 0,5% Si, 0,4% Mn, 0,3% Мо; на цилиндрической части шеек -0,27% С, 6% Ni, 2,4% Cr, 0,5% Si, 0,5% Mn, 0,3% Мо.

Таким образом, в результате проведения комплексных исследований был определен оптимальный состав наплавочного металла для наплавки коленчатых валов, изготовленных из стали 45, состоящий из композиции: проволока Св-08МХ или Св-08Г2С (85%) + порошок ПГ-СР4 (15%), для наплавки шейки - композиции: проволока Св-0,8МХ или Св-08Г2С (75)+порошок ПГЕСРЧ (25%).