Пояснительная записка (1208322), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Для восстановления детали методом заливки жидким металлом применяется наплавочная шихта, представляющая собой механическую смесь износостойких сплавов и соответствующих флюсов в определенных соотношениях по массе. Шихту для индукционных печей следует составлять, учитывая рациональный подбор размеров кусков шихты и плотную их укладку в печи. В мелких кусках шихты генерируется недостаточно высокая удельная мощность, и это приводит к увеличению длительности плавления и расхода электроэнергии. Чем ниже частота тока, тем больше глубина его проникновения и тем меньше удельная мощность. Поэтому размеры кусков шихты следует увеличивать с уменьшением частоты тока [9].
Шихта не должна быть сильно окислена, так как при этом между отдельными кусками получается плохой электрический контакт, вихревые токи замыкаются в каждом отдельном куске шихты, а это увеличивает продолжительность плавления и расход электроэнергии. Плавка проходит тем быстрее и электроэнергии расходуется тем меньше, чем плотнее уложена шихта. Наиболее рационально укладывать шихту в предварительно очищенную внутреннюю поверхность печи следующим образом: на дно тигля для смягчения даров крупных кусков уложить мелкую шихту и с целью предохранения металла от окисления завалить немного шлака, ферромарганца и ферросилиция. На дно следует присаживать также тугоплавкие ферросплавы, температура плавления которых выше достигаемых в тигле температур. При таком расположении они начнут растворяться сразу после появления первых порций жидкого металла [8].
Наиболее крупные куски уложить у стенок тигля на 2/3 высоты индуктора так, чтобы магнитные силовые линии пересекали максимальную площадь сечения куска. Остальную часть шихты загружать до 2/3 высоты по оси тигля с максимальной плотностью укладки, а выше менее плотно. Не рекомендуется заполнять тигель выше уровня индуктора, так как куски, лежащие выше индуктора, не пересекаются магнитными силовыми линиями и нагреваются в основном вследствие теплопроводности от нижележащих кусков, но затрудняют осаживание шихты в процессе плавления [9]. На малых печах шихту загружают вручную. Печи большой емкости можно загружать бадьей, что позволяет сократить время загрузки до 1–2 мин. Состав и свойства шихты зависит от условий службы изделия и его выбор одна из сложных задач, так как износ детали происходит в зависимости от условий работы. При эксплуатации основное внимание уделяется виду износа. Большинство деталей подвижного состава работает в условиях трения металла о металл при нормальной температуре. Чтобы получить высокую прочность сцепления заливаемого металла с основой шихту по химическому составу выбирают идентичным составу металла детали. При этом температура плавления у него должна быть ниже, чем основы. Что касается твердости наплавляемого металла, то она зависит от твердости детали, с которой взаимодействует в процессе работы восстанавливаемая деталь, кроме того, после заливки деталь подвергают механической обработке, поэтому твердость присадочного металла не должна превышать НВ400.
Для восстановления специфичных деталей железнодорожного транспорта, изготовленных из сталей 40, 40Х, Ст5, Ст20Л, Ст20ГЛ и других, работающих в условиях интенсивных ударных нагрузок (осей, валов, автосцепок, железнодорожных крестовин, рельсов и др.), можно использовать заменяющие стали. Например, нелегированная сталь 20Л используется для изготовления деталей автосцепного оборудования, работающих в интервале температур -40 +4500С. Эквивалентом такой стали являются 25Л и 30Л. Так же для деталей ударно-тягового оборудования используется и легированная сталь для отливок 20ГЛ.
После подбора соответствующей шихты для восстановления детали, её плавят. Плавление шихты начинается в первую очередь на половине высоты индуктора у стенок тигля, затем постепенно распространяется вниз и вверх. Сообразно с этим шихта должна иметь возможность опускаться и погружаться в жидкий металл. Однако в верхней части тигля куски шихты могут заклиниваться и свариваться, образуя «мосты». Зависание шихты крайне нежелательно, так как оно может привести к сильному неконтролируемому перегреву жидкого металла и разрушению футеровки. Даже временное зависание шихты увеличивает продолжительность плавления и расход электроэнергии. Для устранения
зависания шихту в процессе плавления необходимо периодически осаживать при помощи ломика с резиновой изоляцией ручки [19].
Во время плавления необходимо следить за показаниями приборов и поддерживать максимальную мощность источника тока. По мере прогрева и оплавления шихты реактивная мощность установки изменяется, что требует периодической подстройки контура в резонанс. Подстройку осуществляют включением или отключением конденсаторов.
Существует несколько видов металлоплавильных устройств: термические, электрические и потоковые. При небольших объемах выработки целесообразнее и экономичнее использовать электрические, в особенности, индукционных плавильных печей (ИПП). Существует два основных типа ИПП: канальные и тигельные. В тигельных индукционных плавильных печах шихту помещают в термостойкий тигель, находящийся внутри рабочей обмотки – индуктора. Готовый расплавленный металл выливается из тигля, далее закладывается следующая порция. Преимущество тигельной печи — высокая скорость нагрева и плавления, так как потери тепла в тигле малы. Устройство индукционной тигельной печи изображено на рисунке 1.1.
Рисунок 1.1 – Устройство индукционной тигельной печи: 1 – металл, 2 – съёмный свод, 3– водоохлаждаемый индуктор, 4 – тигель.
Особенностью индукционных тигельных печей является интенсивная циркуляция жидкого металла, вызываемая взаимодействием электромагнитных полей, возбуждаемых с одной стороны токами проходящими по индуктору, а с другой, вихревыми токами в металле [9].
Характер циркуляционных потоков показан на рисунке 1.1. Достоинство этого явления в том, что благодаря тому, что в результате перемешивания ускоряется плавление и выравнивание состава и температуры металла, минус в том, что поверхность металла становится выпуклой и может оголяться, в связи с тем, что шлак стекает к стенкам тигля. Сильное влияние выпуклой поверхности на процесс плавки металла проявляется при использовании в установках генераторов с низкой рабочей частотой. Исходит это из того, что при передаваемой постоянной мощности на расплав, силовое воздействие на него усиливается с уменьшением частоты генератора. Например, при частоте генератора равной 66кГц выпуклость поверхности почти в 3 раза больше, чем при частоте 440кГц. Расплавленный металл покрывается тонкой оксидной плёнкой, она удерживается на его поверхности благодаря поверхностному натяжению металла и защищает металл от окисления. При расплавлении разрушение плёнки происходит, в период циркуляции металла.
Быстрая циркуляция образует выпуклость поверхности большой высоты, тем самым разрушение оксидной плёнки получается слишком рано. В результате расплав откроется до момента полного выравнивания температуры в тигле. Расплав станет окисляться остаточными газами, присутствующими в камере для плавки.
Для того чтобы выпуклая поверхность вредно не влияла на процесс плавки, мощность на завершающем этапе необходимо уменьшать. В результате этого температура расплава в тигле выровняется по всему объёму.
Еще одной особенностью индукционных тигельных печей является то, что плотность индуктируемых токов достигает максимума на поверхности металла у стенок тигля и снижается по направлению к оси тигля («поверхностный эффект»). На поверхностном слое выделяется наибольшее количество тепла, за счет которого плавится шихта. Толщина слоя металла с большой плотностью индуктируемых токов обратно пропорциональна корню квадратному из частоты.
Запуск индукционной тигельной печи начинается со вставки тигеля внутрь индуктора, после чего происходит загрузка рабочего материала. Накрыв тигель теплоизоляционной крышкой, включается водяное охлаждение. Некоторые модели печей не запустятся, если не будет необходимого подвода воды.
Процесс плавки шихты в тигельной индукционной плавильной печи начинается с её включения и выхода на рабочий режим. В случае если на установке присутствует регулятор мощности, то перед включением необходимо отрегулировать его в минимальное положение. После включения плавно поднять мощность до рабочей соответствующей загруженному материалу. После того, как присадочный материал расплавился, мощность необходимо снизить до четверти от рабочей. Это делается для поддержания металла в расплавленном состоянии. Перед разливом металла регулятор мощности ставится на минимум.
1.2 Подготовка изношенной детали перед восстановлением
Правильная подготовка детали к заливке обеспечивает прочное сцепление его с присадочным материалом. Чтобы получить высокую прочность сцепления заливаемого металла с основой, восстанавливаемую деталь подвергают специальной обработке. Для этого первым делом её отправляют на участок очистки.
Прежде всего, восстанавливаемая поверхность должна быть очищена от грязи, коррозии, окислов, старой краски и т.д. Для этого деталь подвергается механической очистке.
Этот способ основан на воздействии твёрдого тела на объект очистки для разрушения и снятия слоя загрязнения. С этой целью используются щётки, шаберы, скребки, наждачную бумагу. Механизировать процесс такой очистки можно путём использования вибростенда, это позволит увеличить производительность труда [20].
Немалое применение получила и абразивная очистка. Она используется для очистки поверхностей восстанавливаемых деталей с помощью самого дешевого абразивного материала – песка. Пескоструйная камера позволяет эффективно и безопасно очищать различные поверхности от загрязнений, удалять следы коррозии и старые покрытия. При такой обработке с поверхности детали «смывается» и жировая плёнка. Процесс основывается на подаче под давлением воздушно-песчаной взвеси, её направляют на жестко закрепленную обрабатываемую поверхность восстанавливаемой детали. Обработка металла происходит за счет кинетической энергии ускоренных воздушным потоком мельчайших абразивных частиц – песчинок. А «режущий» инструмент – пылевое облако – имеет возможность подбираться к труднодоступным местам.
После механической или абразивной обработки деталь поступает на химическую очистку. Химическая очистка подразумевает все способы удаления окалины и ржавчины посредством травления (кислотами, пастами или щелочами) или с помощью преобразователей ржавчины. Очистка травлением предназначена для удаления с поверхности восстанавливаемого металла окалины и ржавчины. При технологии очистки травлением предварительно обезжиренная деталь погружается в ванну с травящим раствором, далее промывается в проточной воде, обрабатывается щётками, чтобы удалить остатки окалины и образовавшийся шлам, нейтрализуются в ванне с раствором щелочи и промывается теплой водой. В результате травления в серной кислоте происходит быстрое растворение железа, но медленное окислов, поэтому окислы отстают от поверхности в результате растворения находящегося под ними слоя железа. Лучше всего растворяет окислы железа соляная кислота, но глубже проникает в поры металла, вследствие чего ее трудно нейтрализовать. Со временем остатки кислоты могут вызвать коррозию металла [19].
После того, как деталь прошла химическую обработку, её направляют на обмывку в моечную машину. Существуют стационарные и передвижные машины различных конструкций, имеющие одну, две или три камеры. Оборудование для мойки бывает тупикового и проходного типов. Промывка детали производится нагретыми до 70–90°С моющими растворами, такими как лабомит, деталан, фаворит и другими, направляемыми на деталь под давлением через, специальные сопла. После мойки детали промывают горячей водой и сушат струей горячего (60–70 °С) воздуха.
Пройдя все виды обработки, восстанавливаемая деталь направляется на дефектоскопию. После обнаружения всех дефектов, подлежащих восстановлению, деталь очищается.
Пройдя все подготовительные процессы, восстанавливаемая деталь покрытая слоем флюса отправляется на оплавление в установку индукционного нагрева. Это необходимо для получения высокой прочности сцепления заливаемого металла с основой.
Индукционный нагрев позволяет нагревать металл и проводящие электричество заготовки при помощи электромагнитного поля. За создание этого поля в катушке отвечает индуктор. Электромагнитное поле может быть различной частоты (среднечастотное, высокочастотное и сверхчастотное) [9].
Для осуществления оплавления детали в установке индукционного нагрева, она помещается в водоохлаждаемый футерованный индуктор. В сквозном индукторе холодные заготовки подаются в индуктор с одной стороны и выходят нагретыми с другой. Существует несколько приводов механизма подачи детали: электромеханический, пневматический и гидравлический.
Для обеспечения в результате процесса высокого КПД, зазор между индуктором и нагреваемой деталью принято делать 3–5 мм. Для осуществления эффективности нагрева, т. е для высокого электрического КПД, необходимо производить правильное соотношение размеров индуктора и нагреваемого тела, частоты тока и магнитной проницаемости, удельного сопротивления металла.
В индукционных литейных установках вокруг индуктора, вследствие пропускания через него переменного тока с помощью генератора, возникает переменное магнитное поле. Переменный магнитный поток, который пронизывает находящуюся внутри индуктора восстанавливаемую деталь, вызывает появление в ней индуктированного тока. Плотность такого тока зависит от удельного сопротивления, магнитной проницаемости нагреваемой детали, геометрических размеров, а также от частоты магнитного потока. Индукционный ток разогревает установку в соответствии с законом Джоуля-Ленца, в котором описывается, что «Количество теплоты, выделяемое в единицу времени в рассматриваемом участке цепи, пропорционально произведению квадрата силы тока на этом участке и сопротивлению участка» [9].
При большой частоте вихревые токи распределяются по поверхности детали, в результате их плотность резко увеличивается, при приближении к центру детали – уменьшаются.
Вихревые токи на высокой частоте вытесняют магнитным полем поверхностные слои заготовки, в результате чего их плотность увеличивается и деталь разогревается. За счёт теплопроводности нижерасположенные слои металла прогреваются. Только в поверхностном слое заготовки выделяется более 85% тепла.
На рисунке 1.2 показана схема нагрева заготовки в индукторе.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
