Bilim.techО проекте

Наплавка и восстановление деталей

Почему кромку ковша наплавляют полосами, а изношенный вал не выбрасывают? Выбирай сплав, способ и рисунок наплавки, сравнивай износ по закону Арчарда, а потом восстанови вал наплавкой и проточкой и посчитай, выгоднее ли это новой детали.

01 Что это такое

Наплавка это сварка, которая ничего не соединяет: на деталь кладут слой металла, чтобы она меньше изнашивалась или снова стала нужного размера.

Кромку и зубья ковша, футеровку кузова и ножи отвала наплавляют твердыми сплавами: в них есть карбиды, которые тверже кварца, и порода точит их в разы медленнее, чем лист. Изношенные валы, пальцы и оси наплавляют обычной сталью и протачивают в размер. Есть подвох: дуга расплавляет не только проволоку, но и деталь, и они перемешиваются. В первом слое может оказаться треть основного металла, и твердость падает. Поэтому твердые сплавы кладут в два слоя, а способ наплавки выбирают с малым перемешиванием.

СЛОИ И ПЕРЕМЕШИВАНИЕ2-й слой: почти чистый сплав1-й слой: треть основного металлазона перемешиваниялист 400 HBРИСУНОК НА КРОМКЕ КОВШАпоперек потокасеткаточки: от ударовпоток породы
Между валиками, уложенными поперек потока, застревает мелкая порода и сама защищает лист. Поэтому сплошная наплавка не всегда лучше рисунка.
θ
Доля основного металла в наплавке. Сколько расплавленной детали попало в валик. У ручной дуговой около 30 %, у плазменной меньше 10 %.
HV
Твердость по Виккерсу. Карбиды хрома около 1500 HV, вольфрама около 2300 HV, кварц около 1100 HV. Царапает тот, кто тверже. Как ее меряют, в теме «Твердость: Бринелль, Роквелл, Виккерс».
K
Коэффициент износа в законе Арчарда. Резко падает, когда поверхность становится тверже абразива. Закон разобран в теме «Износ: абразивный, усталостный, задир».
02 Опыт
Наплавь кромку ковша и сравни износ. Или восстанови изношенный вал. НАПЛАВКА
СВАРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Наплавить или заменить?

Рис. 10.7
ГОТОВЫЕ СЛУЧАИ
Твердость верхнего слоя
Основного металла в слое
Срок службы кромки
03 Формулы по буквам

Перемешивание, износ и цена ремонта

Три вопроса наплавщика: какой твердости получится слой, во сколько раз дольше прослужит деталь и стоит ли ремонт своих денег. Числа берутся из опыта.

Какой твердости будет n-й слой?

Hn = Hо + (Hс − Hо) · (1 − θn)

Каждый новый слой перемешивается с предыдущим, и доля основного металла падает как θ, θ², θ³. Вместе с ней растут твердость и доля карбидов.

Hn
твердость n-го слоя, HV
Hо
твердость основного металла, HV
Hс
твердость чистого наплавочного сплава, HV
θ
доля основного металла в одном валике, от 0 до 1
n
номер слоя

Насколько медленнее износ?

h = K · p · L / H

Закон Арчарда из темы «Износ»: глубина износа растет с давлением и путем трения и падает с твердостью. Если поверхность тверже абразива, K падает примерно в 10 раз.

h
глубина износа, мм
K
коэффициент износа, зависит от отношения твердостей абразива и поверхности
p
давление породы на кромку, МПа
L
путь трения, мм
H
твердость поверхности, МПа (HV · 9,81)

Когда ремонт выгоднее новой детали?

Cвосст ≤ 0,7 · Cнов

Ремонт складывается из металла и часов работы. Восстановленная деталь обычно служит немного меньше новой, поэтому ремонт берут, если он заметно дешевле: до 60–70 % цены.

Cвосст
стоимость ремонта: проволока × цена + часы × ставка, тыс. сом
Cнов
цена новой детали с доставкой, тыс. сом
m
масса наплавки: π · D · t · L · ρ

Почему твердый сплав держит кварц

Абразивная частица режет поверхность, только если она тверже. Кварц около 1100 HV, а закаленная сталь 500–650 HV: кварц режет и лист, и стальную наплавку, разница только в скорости. В хромистом чугуне и карбиде вольфрама есть зерна тверже кварца. Частица упирается в них и скользит, а мягкая матрица между зернами изнашивается медленно, потому что карбиды ее прикрывают.

Поэтому так важно перемешивание. Если основной металл разбавил первый слой, карбидов в нем меньше, и защита хуже. Второй слой на первом почти чистый.

Против ударов крупных кусков все наоборот: твердый чугун хрупкий и выкрашивается. Там нужна вязкая марганцовистая сталь, которая от ударов наклепывается и твердеет. Часто делают пирог: вязкий подслой, сверху твердый сплав.

сталь 500 HV: кварц режеткарбиды 1500 HV: скользит
Зерна карбидов тверже кварца, частица скользит по ним, не врезаясь.
04 Где и зачем это применяют

Наплавка в мастерской рудника

Допущения модели+

Доли основного металла взяты типичные: ручная дуговая 30 %, порошковая проволока 20 %, плазменная 8 %; твердость и доля карбидов слоя смешиваются линейно. Износ посчитан по закону Арчарда, как в теме «Износ»: давление 0,15 МПа, скольжение 1 м/с, коэффициент K по отношению твердостей абразива и поверхности, для карбидов отдельно. Влияние рисунка задано долей покрытой площади и условной защитой промежутков мелочью. Толщина слоя 3 мм, браковочный износ кромки 10 мм. Удары и выкрашивание хрупкой наплавки не считаются. Для вала: припуск на проточку 1,5 мм и 0,5 мм на неровность валиков, коэффициент наплавки 0,9, проволока 600 сом/кг, станко-час 3000 сом, 2 ч на подготовку и контроль. Цены условные, цену нового вала задай сам.

Еще в направлении «Инженерия»

Все темы направления «Инженерия» →