Исследование способа многоэлектродной наплавки с принудительным формообразованием

Рисунок 1.11 Кинетика наведения жидкой ванны а -  зажигания дуги; б – зарождения жидкой ванны; в - стабилизации жидкой ванны. d - глубина проплавления; с - межэлектродное расстояние; D - величина деструкции

В виду малой скорости растекания расплава сила инерции будет  невысокой и процесс растекания можно считать квазистационарным.

Рассчитать предельно допустимую длину наплавочной формы в  заданный момент времени t можно по формуле.

Х_L  = [s _пн(К_ш + Соs q)(3/2  a I t) / ( в m r)]^1/3t]^1/3 + х_о,        (1)

где К_ш - коэффициент шероховатости формы; который в определяется экспериментально (табл. 1).

Таблица 1.

Коэффициент шероховатости наплавочной формы

Материал формы	Шероховатость, Мм, (Мкм)	Коэффициент шероховатости
Песчано-глинистая (грубая)                                  (средняя)                                  (тонкая)	1,0...0,4 0,315...0,16 0,1...0,05	1,9 1,2 0,9
Песчано-смоляная (грубая)           эталон         (средняя)                                 (тонкая)	1,0...0,4 0,315...0,16 0,1...0,05	1,5 1,0 0,7
Медь Сталь	(40) (20)	0,3 0,5

При заполнении наплавочной  формы при растекании расплава образуется наплавочный радиус r_н, который представляет одну из главных составляющих припуск на обработку.

Образование r_к является следствием кинетических торможений во фронте растекания металла, из-за сил поверхностного натяжения. Их действия приводят к разности давлений по обе стороны поверхности раздела.

 

Аналитический расчёт r_к можно считать первым этапом в разработке технологического процесса нанесения металла в наплавочную форму. r_к определяется через Z_о (рис. 1.12)

Z_о » (1 - Sin q₁) (а² / h).                                (2)

Из уравнения 3 следует, что Z₀  имеет сильную зависимость от а и q, которые и для его снижения необходима активизация процесса растекания расплава.

Рисунок 1.12. Схема растекания расплава (а) и формирования наплавочного радиуса r_н (б): АЕF - зона расплава; ^оq - угол смачивания на различных стадиях наплавочного процесса: 1 - начальной, 2 - развития и 3 - заключительной, соответственно; d₃ , d₂,d₁  и h₃ , h₂ , h₁ - глубина проплавления и высота наплавки на различных стадиях растекания

 

4. 2. Активизация процесса перехода наплавленного металла из жидкой фазы в твердое состояние

 

Из анализа микроструктуры следует, что в продольном сечении  ванна имеет чётко выраженный слоистый и струйный характер. В  верхнем слое наплавленного металла  отсутствует чёткая ориентация дендритов. Этот слой плохо травится, так как имеет аустенитную структуру.

Структура средней и  нижней зоны наплавки состоит из чередующихся слоёв мартенсита и аустенита, где струйное движение потоков очевидно сильно замедляется. В продольном сечении на выходе металла из головной части ванны к её границе, струи расходятся под углом j = 30 - 35 град., вовлекая в движение всё новые окружающие объемы металла. При этом масса металла, захватываемая струей из окружающих ее объемов, зависит от вихревой вязкости расплава

Значение захватываемой  струёй массы расплава через d_э

М = 0,2p u_о d_э х_L.                                  (3)

Из ф. 3 следует, что при распространении струй их масса зависит от начальной скорости u_о  и длины растекания х_L.

Струи при многоэлектродной наплавке при встрече со стенкой наплавочной формы разбиваются на противопотоки, способствуя лучшему перемешиванию.

С увеличением тока выше 500...600 А слоистый характер металла проявляется слабее, что свидетельствует о развитии вихрей, турбулизации расплава и интенсивном перемешивании расплава.

Направление и развитие потоков зависит от схемы ввода электродов, их числа и места стока тепла.

5 4

4

3   3

 

  2   2

   

         1   1

а                                                        б

а                                                           б

 

 

 

 

 

 

в

Рисунок 1.13. Схема микроструктуры металла на щадящих (а) и форсированных (б) режимах стальными электродами в сочетании с алюминиевой проволокой и Схема потоков и вихрей при многоэлектродной наплавке (в) 1 – основной металл; 2 – переходная зона; 3 – наплавка; 4 – поверхностный слой; 5 - приповерхностный слой

Из результатов экспериментов  следует, что с измененнием режимов  тепловложения наблюдается удвоение площади растекания, повышение коэффициента заполнения наплавочной формы и снижение наплавочного радиуса.

 

При введении присадок в расплав возникает отрицательный температурный градиент и создаются условия для его переохлаждения и ускоренного разнонаправленного теплоотвода.

По аналогии с литьём термодинамика процесса кристаллизации металла при наплавке с принудительным формообразованием отражается на качестве поверхностности и припуске на последующую обработку.

 

5. Разработка  схемы многоэлектродной наплавки

 в наплавочные формы

 

Исходя из того, что  хвостовик автосцепки имеет размеры 130х130 мм, а расстояние между электродами при наплавке должно составлять 10 мм количество необходимых электродов равно 12 шт. Схема многоэлектродной наплавки хвостовика автосцепки будет выглядеть следующим образом (Рисунок 1.14.).

На хвостовик корпуса  автосцепного устройства надевается наплавочная форма, оригинального состава состоящая из песка и связующего. В форму засыпается флюс и опускаются 12 электродов. Затем происходит наплавка металла. При этом часть флюса расплавляется (рис. 1.14)

 

Рисунок  1.14. Схема многоэлектродной наплавки хвостовика автосцепки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Исследование средств обеспечения качества формообразования

 

6.1. Анализ материала наплавочных форм и воспроизведение их рельефа

 

Прочность, пластичность, газопроницаемость, огнеупорность, податливость и др. технологические свойства смесей зависят от рецептуры ФС. Их состав оказывает особое влияние на коэффициент воспроизведения рельефа (отношение площадей сечения рельефа наплавочной формы и заполненной её части).

Прочность наплавочной  формы (по аналогии с литейными) будет зависеть от дисперсности песка и глины (тонкодисперсная система). D = S/V;  S = 4pr², D = 4/3 pr³, D = 3/ r  (для шара); D = b /d (произвольная форма); здесь S - площадь поверхности, V - объём; b - коэффициент формы; d - наибольший размер частиц. Она также зависит от диспергирования, агрегатирования (укрупнения) частиц, и пептизации (перехода геля в свободно-дисперсную золь), коагуляции (обратный процесс).

На механические свойства наплавочной формы из песчано-глинистых смесей (ПГС) оказывают влияние: технология уплотнения, влажность, свойства компонентов (табл. 2 и 3).

Таблица 2.

Прочность форм

Тип формы	sр, МПа	Тип формы	sр , МПа
Металлическая Керамическая Оболочковая Песчано-бентонитовая Вакуумированная	150-500 1,2 - 3,0 3,0 - 4,0 0,02-0,05 0,05-0,1	Графитовая Песчано-смоляная Песчано-глинистая Песчано-жидкостекольная Магнитная	2-4 0,6- 1,5 0,15 - 0,2 0,25 - 0,4 0,05-0,1

Высокие прочность и  теплостойкость присущи жидкостекольным смесям, в которые глина вводится в количестве 2-5% для придания необходимой сырой прочности и улучшения выбиваемости. Чем больше удельная поверхность песка, тем больше сцепление между связующим и наполнителем.

Формирование пригара  определяется следующими процессами: проникновением жидкого металла в поры между зёрнами формовочной смеси (механический пригар); окислением поверхностности, взаимодействием поверхности расплава с формовочной смесью и проникновением продуктов этого взаимодействия в глубь формы (химический пригар); спеканием зёрен формовочной смеси и новообразований между собой.

Добавки к пульвербакелиту  серебристого графита в количестве 8…17 % по объёму и к ПГС - асбестовой муки до 20 %  вызвали заметное увеличение угла смачивания (на 20…25 град.), что способствовало снижению r_k на 17-25 % и повысило К_з наплавочной формы на 15%.

При этом скорость продвижения  изотерм в 1500 ^оС в 2...4 раза уменьшает деструкцию НФ, которая составляет 10 мкм / с на глубине 1 мм. Добавка серебристого графита придаёт НФ электропроводность.

 

6.2. Заполняемость наплавочной формы из формовочных смесей различной рецептуры

Уплотнение ПГС, нанесение облицовочных покрытий (маршалита, графитовой краски) улучшает жидкотекучесть расплава, благодаря чему поверхность наплавки становится более гладкой (Рисунок 1.15).

F_З,                                                           r_k                                       

мм²                                                                         2       мм

400                                               1                         

     3        6                6                                r_k

300

                                           4                     4    5

 

200                                                            2

7

0                      200             400            I,А.           0          200       400      600            I,А

Рисунок 1.15. Площадь растекания F_З и радиус кривизны r_к в зависимости от тока, материала НФ: 1 - песчаные формы; 2 - МЭН в оболочку; 3 - ОЭН в графит; 4 - то же в кристаллизаторе;5 - под флюсом; 6 - открытой дугой; 7 - с вибрацией подложки

Шероховатость поверхности определяется материалом наплавочной формы, способом наплавки, химическим и минералогическим составом формовочной смеси и облицовочных покрытий на подложку (рис. 1.16).

При контакте расплава с ПГС на поверхности металла образуется неровность в виде «лимонной корки». Образование стекловидной прослойки между наплавочной формой и металлом, демпфирует тепловой удар и предотвращает возникновение «лимонной корки» и пригара.

Замечено, что флюс исключает  пригар и «лимонную корку».

 

Рисунок 1.16. Зависимость шероховатости поверхности от уплотнения смеси при влажности: 1 – 2%; 2 – 4%; 3 – 5%

Пригар образуется в условиях образования больших объёмов наплавочной ванны (V_в > 3…5 см³). Величина пригара определялась на наплавленных в открытой среде образцах 40х40х40 мм, путём снятия дефектного слоя до металлического блеска, взвешивания и расчёта корки (рис. 1.17):

 g = G x / S 100 мм/см²,                             (5)

где G - полный вес пригара, мг; х - содержание окислов железа в нём, %.

Для уменьшения пригара  надо: а) применять мелкозернистый песок; б) избегать перегрева ванны; в) уменьшать металлостатическое давление; г) создавать восстановительную атмосферу (Рисунок 1.17.).

Полученные результаты позволяют сделать вывод о  широких возможностях выбора рационального состава формовочной смеси и наплавочной формы, назначения режимов по критериям заполняемости НФ, шероховатости поверхности.

 

Рисунок 1.17. Толщина пригара в зависимости от высоты ванны h (а) и тока наплавки I (б) 1 – многоэлектродная наплавка под флюсом, 2 – одноэлектродная наплавка под флюсом, 3 – наплавка колеблющимся электродом

 

6.3. Точность размеров и припуски

при нанесении металла в наплавочные  формы

 

Определение припуска может  быть произведено расчетным путем  по методу В.М. Кована. Минимальный припуск на обработку торцов z_вmin, внешних поверхностей z_{в ном}, поля допуска у НРЭ "в тело"

 

z_{в min} = H_a + T_a+  a + E_в,