Нанесение многослойных покрытий на чугунные изделия с заданными свойствами при изготовлении и ремонте корпусов энергооборудования Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.9.047

НАНЕСЕНИЕ МНОГОСЛОЙНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ЧУГУННЫЕ ИЗДЕЛИЯ С ЗАДАННЫМИ СВОЙСТВАМИ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ И РЕМОНТЕ КОРПУСОВ ЭНЕРГООБОРУДОВАНИЯ

Г.М. ФАТЫХОВА*, К.М. ГАЗИЗУЛЛИН*, В.О. ИЕВЛЕВ**

*Казанский государственный энергетический университет **Казанский национальный исследовательский технический университет

Используя электролизный метод восстановления чугунных деталей электродами из малоуглеродистой стали получили возможность получать требуемую структуру восстановленного материала

Ключевые слова: серый чугун, белый чугун, электроэрозионный метод, электрод-инструмент, толщина наносимого слоя.

Корпусные детали в энергомашиностроении (корпуса турбин, генераторов, котлов и т.д.) получаются путем литья из серого чугуна в песчаные формы. При этом возникают местные недоливы, раковины, пустоты, которые требуется устранить, сохранив структуру исходного материала без образования отбеленного чугуна. В процессе эксплуатации литые чугунные детали изнашиваются и их целесообразно восстановить без нагрева покрытия. Все известные способы восстановления геометрии литых чугунных деталей не обеспечивают стабильного получения требуемой структуры материала, не исключают коробления изделий и потерю точности их профиля. Попытки принять для восстановления формы электроэрозионую обработку дали удовлетворительный результат только при толщине покрытия менее 0,4 мм, что в большинстве случаев не удовлетворяет потребностям производства. Увеличение толщины вызывает появление отбеленного слоя с развитой сеткой трещин, а многослойное наращивание слоев не позволяет обеспечить надежность их адгезионного соединения и сохранения исходной структуры материала. Кроме того, с увеличением количества слоев резко снижается скорость обработки, что делает электроэрозионный метод нерентабельным. Для создания технологии нанесения толстослойных слоев на серый чугун при восстановлении его геометрических размеров требуется разработать новый метод, устраняющий указанные недостатки.

При разработке нового метода необходимо было решить следующие задачи:

1. Изучение механизма образования слоев при электроэрозионном нанесении покрытий различной толщины из различных сочетаний материалов.

2. Нахождение способов управления процессом нанесения толстостенных слоев с обеспечением заданных свойств.

3. Разработка режимов обработки, обеспечивающих получение покрытий с требуемыми свойствами и характеристиками.

Учитывая, что отбеленный чугун обладает повышенной хрупкостью и склонен к образованию трещин, для получения качественных покрытий целесообразно использовать несколько тонких слоев, из которых первый необходимо наносить малоуглеродистым сплавом, а последний - чугуном с толщиной, достаточной для удаления припуска под чистовую обработку и сохранения рабочей поверхности восстановленной детали, с требуемыми эксплуатационными свойствами.

© Г.М.Фатыхова, К.М.Газизуллин, В.О.Иевлев Проблемы энергетики, 2012, № 3-4

Предложенный подход позволяет снять ограничения по нанесению нескольких качественных слоев на поверхность и решить проблему получения кондиционных чугунных покрытий по чугуну. Разработанный способ защищен патентом на изобретение [1].

При определенной температуре серый чугун переходит в отбеленный и белый, что допустимо только в том случае, если требуется создать повышенную твердость и износостойкость, а форма обрабатываемой поверхности позволяет применять абразивные инструменты для последующей обработки. В других случаях требуется наносить слои с толщиной и характеристиками, при которых отбеленный чугун не образуется.

Формируется физическая и математическая модель процесса покрытий для чугунных материалов, что служит основой для разработки режимов, оснастки и технологии восстановления геометрии и свойств поверхностного слоя при многослойных покрытиях металлами с различными характеристиками.

В качестве образцов для исследований использовались серые чугуны СЧ21, СЧ24, а покрытия выполнялись малоуглеродистыми сталями и чугунными электродами с содержанием углерода до 3%.

Физические явления на границе слоев зависят от сочетания материалов, толщины каждого слоя, определяемого энергией единичного импульса, температурными режимами процесса.

Если чугун наносится на аналогичную основу, то бездефектный слой составляет не более 0,45 мм. Поэтому, на первом этапе, на основу наносят слой малоуглеродистой стали повышенной толщины, но проектируют процесс таким образом, чтобы на конечном этапе стальное покрытие наращивали чугуном. Схема, поясняющая физико-химические явления на границах последних слоев, показана на рисунке.

\\\\\\\\У

3

4

V //

оо

а б

Рис. Схема, поясняющая физико - химические явления на границах последних слоев: а - падение капли на заготовку с анода; б - передача тепла от капли в начале ее остывания

На рисунке, на первом этапе процесса (а) на заготовку 1 под действием разряда между катодом 1 и анодом 3 падает капля 2, расплавленного чугуна с анода 3, В последующие временные промежутки подобные капли образуются по всей поверхности заготовки 1 . Процесс нанесения покрытий целесообразно рассматривать как процесс взаимодействия расплавленной частицы 2 чугуна и холодной (или слабо нагретой) заготовки.

На позиции (б) показана схема передачи тепла от капли 2 в начале ее остывания, когда тепло от капли 2 рассеивается в окружающую среду (воздух) 6, переходит в заготовку 1, в районе капли 2 и частично (5) - в соседние участки заготовки. Интенсивность потока 5 зависит от температуры соседних капель. На рисунке (б) после

2

© Проблемы энергетики, 2012, № 3-4

охлаждения поверхности капли 2 образуется ядро 7, в котором состав может заметно отличаться от исходного, так как на границе заготовки 1 и жидкого материала капли 2 происходит активная диффузия углерода из чугуна в сталь заготовки, имеющей пониженное содержание углерода.

Можно принять, что на поверхности капли 2, до застывания ее наружного слоя содержание углерода не изменяется, а интенсивность остывания достаточна для сохранения структуры серого чугуна. Аналогичная картина наблюдается на границе заготовки 1 с каплей 2, где происходит обезуглероживание чугуна в капле 2 и отбеленный чугун не формируется. При электроэрозийном покрытии его толщина может достигать нескольких миллиметров, но качественный слой удается получить только для сталей. Поэтому приходится переходить на многослойные покрытия, где количество слоев может быть до 2-3. Однако опыт показывает, что при нанесении нескольких слоев из чугуна каждый последующий слой должен иметь меньшую толщину.

Попытки нанести серый чугун на чугунную основу приводят к образованию отбеленных слоев с ограниченной адгезией и развитой сеткой микротрещин, что может вызвать осыпание покрытий при механической обработке и разрушение в процессе эксплуатации.

Толщина наносимого бездефектного слоя будет равной предельной толщине (Н) наносимого чугунного слоя, на котором температура не выше температуры образования отбеленного чугуна:

Н =

-1 Р

е 4 ПиАи

3 3

_ 8п 2 р 2(71 - ЗД

где Р0 - критерий Фурье; ци - коэффициент полезного действия импульса, который зависит от условий проведения операции, режимов, вида импульсов. Аи - энергия импульса; Т1 — начальная температура места покрытия; Т2 - конечная температура места покрытия; Ср - удельная теплоемкость материала покрытия; у - плотность наносимого материала.

Металлографические исследования показали, что углерод из заготовки активно насыщает наносимый слой, придавая ему новые свойства, повышающие механическую прочность до уровня углеродистых сталей.

Для повышения толщины чугунного покрытия необходимо изменять состав

слоев.

В литературе [2] рекомендуется применять отжиг чугуна для устранения отбеленных участков. Однако в случае ремонта и восстановления деталей путем покрытия локальных участков чугуном такой подход практически не применяется, так как в процессе нагрева при отжиге теряется главное преимущество электроэрозионного покрытия - отсутствие нагрева изделия, что позволяет сохранить геометрические размеры деталей и не требует последующей обработки всех элементов конструкции.

Выводы.

Обоснован новый способ управления процессом покрытия чугунных изделий путем регулирования температуры в зоне диффузии наносимых слоев с основой за счет обоснованного подбора наносимых материалов по содержанию углерода и другим физико-химическим свойствам.

Разработаны режимы и параметры покрытий чугунных заготовок. Установлено, что для обеспечения требуемого качества изделий первый и последующие слои должны © Проблемы энергетики, 2012, № 3-4

иметь толщину не более 0,45 мм, а скорость продольного перемещения электрода -инструмента не ниже 1мм/с.

Summary

Using electrolysis method of restoration of cast iron details electrodes from a low-carbon steel had an opportunity to gain demanded structure of the recovered material

Key words: grey iron, white iron, electroerosive method, electrode-tool, width of a put course.

Литература

1.Пат. 2396153 Российская Федерация. Способ электроэрозионного восстановления детали из стали или чугуна / В.П. Смоленцев, А.В. Бондарь, А.Н. Некрасов, Г.М. Фатыхова // Бюл. №22. 2010.

2.Бондарь А.В. Обеспечение качества при многослойных комбинированных покрытиях металлов / А.В. Бондарь, Г.М. Фатыхова, Е.В. Смоленцев // Ж. «Упрочняющие технологии и покрытия». 2008. № 4.

Поступила в редакцию 11 апреля 2012 г.

Фатыхова Гузэлия Мирбатовна - канд. техн. наук директор типографии Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (960) 0473064.

Газизуллин Камиль Мирбатович - д-р техн. наук, профессор кафедры «Динамика и прочность машин» (ДПМ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 543-20-94.

Иевлев Валерий Олегович - канд. техн. наук, доцент кафедры «Технологии машиностроительных производств» Казанского национального исследовательского технического университета (КНИТУ). Тел.: 8 (927) 4234601.

© Проблемы энергетики, 2012, № 3-4