Реферат: Технология восстановления чугунных коленчатых валов двигателей ЗМЗ-53А

В настоящее время чугунные коленчатые валы используются в двигателях автомобилей горьковского автомобильного завода, марки автомобилей ГАЗ-53А, ГАЗ-66, «Волга», «Газель». В некоторых автохозяйствах парк этих машин составляет до 80% от всего количества машин. Перестройка народного хозяйства и структурные изменения в нашей стране привели к разукрупнению автохозяйств, появлению мелких парков машин со смешанной формой собственности. Одной из задач, вставшей перед этими автохозяйствами, становится поддержание машин в рабочем состоянии при ограниченных финансовых ресурсах. По этому процесс восстановления изношенных деталей является на сегодняшний день актуальной задачей.

Существует несколько технологий восстановления чугунных коленчатых валов [3]:

1. Шлифовка под ремонтные размеры.

Один из часто применяемых способов восстановления работоспособности коленчатых валов. Преимущества этого способа в его технологической простоте. Из оборудования требуется наличие кругло шлифовального станка и типовой оснастки к нему. Но у этого способа имеется и ряд недостатков. Потеря взаимозаменяемости деталей, потребность в деталях (вкладыши) с ремонтными размерами, наличие складских площадей под них.

2. Вибродуговая наплавка в жидкости.

При этом способе качество наплавленного металла зависит от многих факторов и резко ухудшается при изменении режимов наплавки и химического состава электродной проволоки. Поэтому даже при хорошо отлаженном процессе восстановления на шейках чугунных коленчатых валов часто встречаются поры и трещины. Количество пор увеличивается по глубине слоя, поэтому восстановленные чугунные коленчатые валы шлифуют лишь до третьего ремонтного размера, а затем выбраковывают. Усталостная прочность чугунных коленчатых валов, восстановленных вибродуговой наплавкой в жидкости, снижается на 35-40% [6]. Однако благодаря двукратному запасу прочности в эксплуатации наблюдается незначительное количество их поломок. Но применение этого способа наплавки для восстановления чугунных коленчатых валов двигателей грузовых автомобилей из-за значительного снижения усталостной прочности становиться не приемлемым.

3. Вибродуговая наплавка в водокислородной среде [9].

При этом способе восстановления наплавленный металл имеет структуру троостита, переходящую в сорбитообразный перлит с твердостью слоя HRC 42-48. Такой металл по износостойкости уступает высокопрочному чугуну, тем не менее, коленчатые валы восстановленные этим способом, обеспечивают срок службы двигателей соответствующий пробегу автомобиля 50-60 тыс. км. Сведений об усталостной прочности чугунных коленчатых валов, восстановленных наплавкой в водокислородной среде, не имеется. В целом эксплуатационные свойства таких валов изучены не достаточно, но из-за низкой в сравнении с высокопрочным чугуном износостойкости наплавленного металла этот способ наплавки не может быть рекомендован к повсеместному использованию.

4. Однослойная наплавка под флюсом.

Этот способ наплавки исследовался в НИИАТе и КАЗНИПИАТе [3]. Для наплавки применяли проволоку разных марок, в том числе пружинную 2 класса ГОСТ 1071-81, ОВС, НП-30ХГСА, Св-08, Св-10Х13, Св-12ГС ГОСТ 792-67 и другие. Наплавку производили под флюсами АН-348А, ОСЦ-45, АН-15, АН-20 ГОСТ 9087-81 без примешивания и с примешиванием к флюсу графита, феррохрома, ферромарганца, ферромолибдена, алюминиевого порошка и других компонентов для получения наплавленного металла мартенситной структуры с твердостью HCR 56-62 без пор и трещин. Наплавку производили при разном шаге, прямой и обратной полярности, разных напряжений дуги и индуктивности сварочной цепи, скорости подачи электродной проволоки и вращения детали. Все разновидности однослойной наплавки под флюсом не дали положительных результатов. Наплавленный металл имел неоднородную структуру и твердость, содержал поры, трещины и шлаковые включения.

5. Двухслойная наплавка проволокой Св-08 под легирующим слоем флюса.

Этот способ наплавки разработан в НИИАТе [3]. Лучшие результаты из многочисленных вариантов двухслойной наплавки получаются при использовании малоуглеродистой проволоки Св-08 диаметром 1,6 мм и легирующего флюса АН-348А (2,5 части графита, 2 части феррохрома №6 и 0,25 частей жидкого стекла). Металл первого слоя имеет аустенитное строение и твердость HRC 35-38. Второй слой имеет мартенситное строение и твердость HRC 56-62 и содержит небольшое количество пор. Недостатком этого способа наплавки является образование большого количества трещин в наплавленном слое, вызывающих повышенный износ сопряженных вкладышей. Усталостная прочность чугунных коленчатых валов двигателей ЗМЗ 53-А, восстановленных двухслойной наплавкой под легирующим флюсом, снижается на 26- 28% т.е. меньше, чем при вибродуговой наплавке в жидкости. Наличие на поверхности шеек большого количества трещин не позволяет рекомендовать этот способ для широкого применения.

6. Двухслойная наплавка порошковой проволокой.

Схема процесса сварки порошковой проволокой.

Рис. 1.3

Этот способ разработан в Казахском научно-исследовательском институте автомобильного транспорта в 1966 году [3]. Наплавленный металл второго слоя имеет структуру мартенсита и твердость HRC 56-60. Существенным недостатком этого способа наплавки является образование пор, раковин и трещин в наплавленном слое. Износостойкость наплавленных шеек находится на уровне не наплавленных. Усталостная прочность восстановленных чугунных коленчатых валов снижается на 44%. В связи с выше перечисленными недостатками этот способ восстановления чугунных коленчатых валов рекомендовать нельзя.

7. Наплавка в среде углекислого газа.

Схема наплавки в среде углекислого газа.

Рис. 1.4

Способ наплавки разработан в НИИАТе [3]. Шейки чугунных коленчатых валов наплавлялись проволокой разных марок, в том числе Нп-2Х13, ОВС, Св-12ГС, Нп-30ХГСА, Св-08 и другими. Во всех случаях структура наплавленного металла была неудовлетворительной, в слое имелись поры и трещины. Наименьшее количество дефектов на поверхности шеек получается при наплавке проволокой Нп-2Х13, наплавленный металл при этом имеет структуру аустенита с карбидной сеткой и неравномерную по длине твердость, колеблющуюся от HRC 51-60. Износ шеек чугунных коленчатых валов, наплавленных в углекислом газе проволокой Нп-2Х13, был больше не наплавленных шеек. Усталостная прочность при этом способе снижается на 45-50%. Из-за указанных недостатков такую наплавку применять нецелесообразно.

8. Плазменная металлизация [10].

Схема плазменного напыления.

Рис.1.5

Среди новых технологических процессов большой интерес для процесса восстановления деталей автомобилей представляет способы нанесения металлопокрытий с использованием плазменной струи в качестве источника тепловой энергии. Наиболее перспективным способом восстановления деталей нанесением износостойких металлопокрытий является плазменное напыление с последующим оплавлением покрытия. При этом в металле оплавленного покрытия доля основного металла минимальна. Покрытие обладает высокой износостойкостью, без пор и трещин. Процесс является высокопроизводительным. Недостатком этого способа является высокие начальные капиталовложения в оборудование. В нынешних условия при отсутствии оборотных средств у предприятий этот недостаток не позволяет рекомендовать способ к повсеместному использованию.

9. Лазерный способ восстановления [10].

Этот способ не может быть рекомендован к использованию на данном этапе в силу высокой стоимости оборудования и высокой требовательности к обслуживающему персоналу и культуре производства.

10. Наплавка под легирующим флюсом по оболочке [3].

Этот способ восстановления чугунных коленчатых валов разработан в НИИАТе и позволяет получить наплавленный металл без пор и трещин при более высокой, по сравнению с другими способами, усталостной прочности восстановленных чугунных коленчатых валов. Достоинством этого способа является отсутствие пор и трещин, высокие прочностные характеристики и простое, доступное по цене, оборудование.

Сущность способа восстановления чугунного коленчатого вала с применением защитных металлических оболочек :

Сущность способа заключается в следующем. Деталь обвертывают, металлической оболочкой из листовой стали, плотно прижимают оболочку к поверхности детали с помощью специального приспособления и сваркой в среде углекислого газа прихватывают ее в стыке. После удаления приспособ­ления производят автоматическую наплавку детали под флюсом по металли­ческой оболочке непосредственно.

Схема наплавки под флюсом по оболочке.

Рис. 1.6

Известно [12], что для устранения трещин в наплавленном металле необходимо уменьшить в нем содержание углерода, кремния, марганца, серы и фосфора. Поскольку высокопрочный чугун содержит значительное количе­ство этих элементов, при экспериментах применяли оболочку из стали 08 и проволоку Св-08, содержащие их в небольшом количестве.

При наплавке под флюсами АН-348А, ОСЦ-45, АН-15, АН-20 лучшее формирование слоя и меньшее количество дефектов получилось при исполь­зовании флюса АН-348А. С увеличением толщины [3] оболочки глубина проплавления высокопрочного чугуна уменьшается (Рис.1.6), соответственно уменьшается поступление в наплавленный металл углерода, кремния, мар­ганца и других элементов. Поэтому для получения наплавленного металла мартенситной структуры с твердостью HRC 56-62 во флюс добавляли графит и феррохром, обеспечивая содержание в наплавленном металле углерода 0,6-0,8% и требуемое количество хрома.

При толщине оболочки 0,8 мм трещины и поры в наплавленном ме­талле отсутствовали, в то время как при обычных способах наплавки высо­копрочного чугуна при содержании углерода 0,6-0,8% трещин и пор избе­жать не удается.

Зависимость глубины проплавления основного металла

от тол­щины оболочки.

Рис. 1.7

Роль оболочки в устранении пор и трещин.

С увеличением толщины оболочки уменьшается глубина проплавле­ния чу­гуна и соответственно количество образующейся окиси углерода, вы­зываю­щей образование пор. При толщине оболочки 0,8 мм и более неболь­шое ко­личество окиси углерода успевает выделиться из расплавленного ме­талла и пор в нем не наблюдается. Устранению трещин при наплавке по обо­лочке способствует два фактора: уменьшение поступления в наплавленный слой кремния, марганца, магния и уменьшение величины и скорости нарас­тания растягивающих напряжений в наплавленном валике в период его кри­сталли­зации благодаря уменьшению сил сопротивления усадок валика за счет пе­ремещения или пластической деформации оболочки. Доказано [13], что обра­зование горячих трещин происходит в период нахождения расплава в твердожидком состоянии при определенной величине и скорости нараста­ния внут­ренних напряжений.

Схема сил, препятствующих усадке наплавленного валика.

Рис. 1.8

Процесс усадки наплавленного металла происходит следующим обра­зом. При наплавке часть металла, Т.Ж (Рис. 1.8), находится в твердожидком состоянии и при усадке уменьшается в радиальном А, тангенциальном Б и осевом направлениях. Усадке валика в радиальном направлении А чугун не препятствует. Усадке в тангенциальном направлении Б препятствует ранее наплавленный валик по контуру аб, чугун по контуру бвг и оболочка по контуру гд. При наплавке по винтовой линии в наплавленном металле в ос­новном возникают кольцевые трещины, поэтому рассматриваем процесс усадки валика в осевом направлении В. Сопротивление усадке валика в осе­вом направлении по контуру зи незначительно, поскольку разница в темпе­ратуре на границе твердожидкого и твердого металла невелика и их усадка происходит почти одновременно. Поэтому усадке валика в направлении В препятствует только чугун по контуры вг и оболочка по контуру гд.

При усадке валика в начале происходит упругая деформация обо­лочки и чугуна. Поскольку чугун почти не обладает упругими свойствами [1], скорость нарастания растягивающих напряжений со стороны оболочки в несколько раз меньше, чем со стороны чугуна. После достижения предела текучести, происходит пластическая деформация оболочки и чугуна, поэтому внутренние напряжения в них не превзойдут предела текучести т.е.

, (1.1)

, (1.2)

где , - напряжения в оболочке и чугуне;

, - пределы текучести оболочки и чугуна.

Остальные напряжения в валике будут равны отношению суммы уси­лий сопротивления усадке со стороны чугуна и оболочки к площади попе­речного сечения валика.

Для случая с закрепленной оболочкой, напряжения в валике можно выразить уравнением:

, (1.3)

где Н - высота валика, мм;

- глубина проплавления чугуна при наплавке без оболочки, мм;

- толщина оболочки, мм;

R – коэффициент, учитывающий разность теплофизических свойств чу­гуна и оболочки;

Таким образом, для уменьшения внутренних напряжений в наплав­ленном слое металла и для предупреждения образования трещин в нем, не­обходимо применять оболочки с низким пределом текучести и высокой пла­стичностью. Такими свойствами обладает малоуглеродистая сталь. При на­плавке по оболочке толщиной 0,8-0,9 мм глубина проплавления чугуна уменьшается с 2,4 мм до 1,0 мм [3]. Соответственно величина остаточных напряжений уменьшается примерно в 2,4 раза.

Мартенситную структуру наплавленного металла можно получить пу­тем: термообработки, охлаждением слоя жидкостью в процессе наплавки либо путем введения в наплавленный металл легирующих элементов, через флюс [14] или проволоку. Сущность последнего способа заключается в сле­дующем. С увеличением содержания углерода в стали, твердость образую­щего мартенсита увеличивается и достигает HRC 60-62 при 0,6-0,8% угле­рода [12]. Углерод одновременно снижает точки начала и конца мартенсит­ных превращений в область отрицательных температур. Поэтому при увели­чении его содержания более 0,8% твердость наплавленного металла снижа­ется за счет увеличения в нем остаточного аустенита. С увеличение содержа­ния легирующих элементов, хрома или марганца, в наплавленном слое кри­вые превращения сдвигаются вправо, что приводит к уменьшению критиче­ской скорости закалки при охлаждении детали на воздухе. Стойкость образо­ванного мартенсита против отпуска увеличивается, поэтому при недостаточ­ном количестве легирующих элементов может произойти отпуск ранее на­плавленных валиков (швов) вследствие значительного нагрева слоя в про­цессе наплавки. Точки начала и конца мартенситных превращений снижа­ются в область отрицательных температур, поэтому чрезмерное увеличение легирующих элементов приводит к увеличению количества остаточного ау­стенита в наплавленном металле и снижению твердости последнего. Стой­кость аустенита в зоне мартенситных превращений повышается, поэтому при охлаждении наплавленного металла для превращения аустенита в мартенсит требуется больше времени. При наплавке это явление способствует увеличе­нию количества остаточного аустенита и снижению твердости наплавленного металла.

В соответствии с выше изложенным для получения наплавленного металла мартенситной структуры с твердостью порядка HRC 60-62 в нем должно содержаться 0,6-0,8% углерода и определенное количество леги­рующих элементов, зависящее от термического цикла наплавленного слоя. В нашем случае целесообразно применять хром. Некоторые другие легирую­щие элементы, например марганец, способствуют образованию трещин в на­плавленном слое.

Опыты по получению металла с мартенситной структурой проводи­лись в следующем порядке [3]. Сначала к флюсу примешивали графит с це­лью полученияв наплавленном металле 0,6-0,8% углерода, затем к тому же флюсу с найденным количеством графита примешивали феррохром для по­лучения мартенситной структуры при охлаждении наплавленного металла на воздухе.

Углерод и легирующие элементы в наплавленный металл можно вво­дить также применением порошковой проволокой, легирующего или кера­мического флюса, легированной проволоки и легированной оболочки.

По результатам опытов в табл. 1.3 представлены данные эксперимен­тальных наплавок коленчатых валов двигателей ЗМЗ-53А.

Как видно из табл. 1.3, наиболее высокая твердость металла со струк­турой мартенсита получается при наплавке под легирующим флюсом, со­держащим 4% графита и 3,5% феррохрома. При этом наплавленный металл содержит 0,8% углерода, 1,8% хрома, 1,79% марганца, 0,65% кремния и в не­значительном количестве другие элементы.

Эксплуатационные испытания на износостойкость проводились сле­дующим образом [3]. Испытывали чугунные коленчатые валы двигателя ЗМЗ-53А, у которых по две шатунных и по две коренных шейки были на­плавлены под легирующим флюсом по оболочке. Часть шеек наплавляли под легирующим флюсом с меньшим количеством феррохрома, в результате они имели твердость HRC 50-60, остальныешейки имели твердость HRC 50-62. Наличие шеек с таким диапазоном твердости позволилоопределить зависимость между твердостью и износостойкостью наплавленного металла относительно высокопрочного чугуна. Чугунные коленчатые валы обрабатывались в соответствие с механическими требованиями завода и устанавливали на капитально отремонтированные двигатели.

Двигатели эксплуатировали в обычных условиях без разборки до появления технических неисправностей, после чего их снимали с автомобилей, разбирали и замеряли диаметры и толщины вкладышей.

В табл. 1.4 приведены данные по относительному износу наплавленных шеек по девяти коленчатым валам со сроком службы, соответствующим пробегу автомобиля 50-70 тыс. км.