Лiтература

1. М.И.Пашечко, В.М.Голубец, М.В.Чернец. Формирование и фрикционная стойкость эвтектических покрытий. – К.: Hаук. думка, 1993.-344с.

2. Верхотуров А.Д., Муха И.М. Технология электроискрового легирования. – К.: Техника, 1982.-181с.

3. Электроискровое легирование металлических поверхностей // А.Д.Верхотуров, Г.А.Бовтун и др. Под ред. Г.В.Самсонова. – К.: Hаук. думка, 1976.-с.42-43.

4. Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение. – М.: Ме­таллургия, 1989.

5. Установка “Элитрон – 52”. Паспорт.

2.8. Електродугове наплавлення

2.8.1. Сучасні способи автоматичного (механізованого) наплавлення

Дугове зварювання, як спосіб з’єднання металевих частин, за останні десятиліття стало провідним технологічним процесом у багатьох галузях. Дугове наплавлення розвивалося значно повільніше, і хоча відоме воно з 20-х років минулого століття, його промислове застосування обмежене недоліками, які властиві цьому способу – низька продуктивність, потреба в висококваліфікованих кадрах та інше. Автоматичне наплавлення не має цих недоліків і є однією з найважливіших галузей сучасної зварювальної техніки – нанесення розплавленого металу на поверхню виробу, нагріту до оплавлення. Наплавлений метал утворює єдине ціле з основним металом. Сплавлення досить міцне і надійне. Шляхом наплавлення можна отримати безпосередньо на робочій поверхні виробу сплав, який володіє бажаним комплексом властивостей - зносостійкий, кислотостійкий, жаростійкий і т. д. Вага наплавленого металу переважно не перевищує кількох відсотків від ваги виробу. При ремонті переважно відновлюються початкові розміри і забезпечуються необхідні властивості по­верхні деталі [1].

Крім того, наплавлення дозволяє створювати біметалеві вироби, в яких висока міцність і низька вартість поєднуються з довговічністю в умовах експлуатації.

Багаторазове відновлення зношених деталей зменшує розхід металу для виготовлення запасних частин обладнання.

Отже, не підлягає сумніву, що широке впровадження у виробництво найновіших досягнень зварювальної техніки дасть значний техніко-економічний ефект.

Автоматичне наплавлення може здійснюватися багатьма зварювальними процесами. Однак, порівняно невелике число способів знаходить виробниче застосування. Найважливіші з них основані на використанні дугового зварювання електродом.

2.8.1.1. Наплавлення під флюсом

Наплавлення під флюсом в теперішній час є найважливішим способом механізованого наплавлення.

При наплавленні під флюсом дуга горить між електродом і виробом, до яких підведено струм, і утворює на поверхні виробу ван­ночку розплавленого металу. Поверхню, що наплавляється, покриває товстий шар сипучого флюсу. Дуга частково розплавляє флюс і горить в середині порожнини з еластичною оболонкою з розплавленого флюсу-шлаку. Розплавлений шлак надійно ізолює рідкий метал від газів повітря, попереджує розбризкування і зберігає тепло дуги. Після затвердіння металу утворюється наплавлений валок, покритий шлаковою оболонкою і нерозплавленим флюсом; при охолодженні шлак відділяється (рис.2.57).

При наплавленні під флюсом за звичайними режимами утворюється досить велика ванночка рідкого металу. Для запобігання стіканню металу і шлаку, а також утворенню дефектів, наплавлювана поверхня повинна бути розташована горизонтально.

Електрична енергія, підведена до електродного дроту та виробу, перетворюється в дузі в теплову. На торці електродного дроту і на поверхні ванночки розплавленого металу виникають активні плями – ділянки, нагріті до температури кипіння металу. Через активні плями протікає зварювальний струм, між ними розміщується стовп дуги яс­кравого світіння. Електропровідність стовпа дуги обумовлена наявністю в ньому електронів, а також позитивних і негативних іонів. Крім того, в складі атмосфери стовпа дуги міститься велика кількість ней­тральних атомів і двоатомних молекул. В стовпі дуги, завдяки зіткненням атомів з швидкими електронами і термічній іонізації, безперервно утворюються заряджені часточки, а також іде рекомбінація з утворенням нейтральних атомів. При стійкому існуванні дугового розряду встановлюється рухома рівновага цих процесів.

Рис.2.57. Схема наплавлення тіла обертанням під флюсом: 1 – виріб; 2 – наплавлений шар; 3 – електрод; 4 – розплавлений шлак; 5 – ванночка рідкого металу; 6 – шлакова оболонка; а – зміщення електрода із зеніту

Через високу напруженість поля, заряджені часточки набувають прискорення і бомбардують поверхні катода і анода.

Особливостями процесів, які відбуваються в приелектродних ділянках, визначається швидкість плавлення електродного дроту та основного металу в дузі.

Коефіцієнт плавлення дроту К_п залежить від його хімічного складу, який визначає температуру плавлення і теплоємкість металу, а також від роду струму і полярності.

За допомогою наплавлення під флюсом можна одержати шар металу з необхідним хімічним складом товщиною від 2 мм і більше. Практичне застосування знаходить наплавлення на тіла обертання діаметром 40 мм і більше, а також різноманітних плоских деталей і виробів складної форми. Втрати від розбризкування складають не більше 1.5 %. Стабільність процесу наплавлення під флюсом в значній мірі залежить від густини струму на електроді, яка, звичайно, становить 40-100 А/мм². Продуктивність досягає 25-30 кг/год.

2.8.1.2. Наплавлення в захисному газі

Останнім часом одержав поширення спосіб наплавлення розплавлюваним електродом в середовищі захисного газу. Розплавлений метал захищається від повітря струменем інертного газу – аргону або активного газу – вуглекислоти. Електродний дріт подається в дугу спеціальним механізмом з постійною швидкістю. Струм підводиться до дроту біля дуги в спеціальному пальнику, обладнаному соплами для подачі газу і, часто, також з водяним охолодженням. Наплавлення проводиться постійним струмом. Наплавлення в захисному газі до­цільне, коли неможливе наплавлення під флюсом. Найкращий захист металу досягається при використанні чистого аргону. При цьому розбризкування металу буде незначним. З успіхом застосовується даний спосіб для наплавлення високолегованих хромонікелевих аустенітних сталей, сплавів на основі міді та інших. Застосування аргону обмежується в зв’язку з його дороговизною.

При наплавленні у вуглекислому газі для запобігання розбризкуванню процес проводять короткою дугою. По швидкості плавлення дроту поверхнева обробка у вуглекислому газі не поступається обробці під флюсом. Однак продуктивність наплавлення нижча: втрати від розбризкування досить значні – від 5 до 15 %.

Застосовується також наплавлення в захисному газі електродом, який не плавиться, зазвичай, вольфрамовим прутком. Цей спосіб доз­воляє отримати дуже малу глибину проплавлювання металу, а також наплавляти шари товщиною від 0.5 мм і більше. Таким методом проводиться наплавлення кобальтових сплавів на клапани ДВС та інші деталі.

2.8.1.3. Електроімпульсне наплавлення

Різні способи електроімпульсного наплавлення основані на застосуванні в якості джерела тепла іскрового розряду або дуги малої тривалості (тисячні долі секунди). Іскровий розряд отримується при живленні за спеціальною електричною схемою з конденсатором, підключеним паралельно розрядному проміжку. Короткочасна дуга отримується при використанні низьковольтного генератора постійного струму за рахунок екстремуму розмикання.

При кожному імпульсі струму невелика кількість металу розплавляється і переноситься з розплавленого електрода до виробу. Повторне збудження розряду проводиться шляхом дотику електрода до виробу і відводу його на деяку відстань; для цього використовуються вібратори різних конструкцій. Електроімпульсне наплавлення проводиться на повітрі або в струмені води чи емульсії, що дозволяє зменшувати теплову дію розряду на наплавлювану деталь.

Швидке охолодження маленької порції розплавленого металу забезпечує можливість наплавлення деталей малих розмірів. Можливе наплавлення твердого сплаву на леза різців. Товщина наплавленого шару складає від кількох сотих до 0.1 мм.

Наплавлення використовується переважно при ремонті виробів невеликих розмірів, де основним є можливість отримання тонкого рів­номірного шару металу при мінімальній деформації виробу.

Електроімпульсне наплавлення складається з циклів, в кожному з яких проходить:

1) замикання електрода з наплавлюваною поверхнею;

2) розмикання і утворення короткочасної дуги;

3) подача електрода до виробу.

У момент замикання напруга падає до нуля, а струм зростає до 1000А (при середньому значенні 160 А). При розмиканні напруга дуги досягає 28-30 В. Дуга затухає через 0.002-0.003 с. При частоті вібрації 50 Гц за секунду відбувається 50 циклів.

2.8.1.4. Наплавлення відкритою дугою електродним дротом з захисним покриттям

Даний спосіб майже не знайшов застосування у нас, проте застосовується у Західній Європі. Він базується або на застосуванні елек­тродного дроту спеціальної конструкції, яка забезпечує неперервний підвід струму біля дуги, або на нанесенні покриттів з використанням звичайних дротів.

Наплавлення відкритою дугою з застосуванням дротів із захисним покриттям цілком доцільне в тих випадках, коли потрібно на­плавляти деталі складної форми. Можна передбачити, що цей спосіб знайде застосування для напівавтоматичного наплавлення так само, як наплавлення в захисному газі, якщо буде налагоджено промислове виробництво необхідних матеріалів.

2.8.1.5. Електрошлакове наплавлення

Електрошлакове наплавлення (рис.2.58) базується на способі зварювання плавленням, винайденому Г.З.Волошкевичем. Тепло, необхідне для плавлення металу, виділяється при проходженні струму від електрода до виробу через розплавлений шлак. На робочій по­верхні утворюється ванночка рідкого шлаку, стікання якого не відбувається внаслідок охолоджування мідним кокілем. Струм нагріває шлак до температури понад 2000 °С. При цьому оплавляється поверхня виробу. Електрод плавиться з більшою швидкістю. Краплі металу електрода, перемішуючись з розплавленим основним металом, утворюють металеву ванну. Втрат від розбризкування практично немає.

Важливою особливістю електрошлакового способу є можливість отримання гладкої та рівної поверхні наплавленого металу і дуже малих припусків для обробки.

Електрошлакове наплавлення відрізняється від інших тим, що його висока продуктивність досягається при досить низькій густині струму - від 0.1 А/мм² і більше.

Рис.2.58. Схема електрошлакового наплавлення зовнішньої циліндрич­ної поверхні: 1 – електрод; 2 – мідний охолоджуваний повзун; 3 – ванна розплавленого шлаку; 4 – металева ванна; 5 – наплавлений шар; 6 – плівка застиглого шлаку

2.8.1.6. Наплавлення струмами високої частоти (СВЧ)

У поверхневому шарі металу індукуються вихрові струми. Він може бути нагрітий до оплавлення. При наплавленні СВЧ присадочний метал або метал, який попередньо наноситься на поверхню виробу у вигляді порошку, пасти чи пресованих брикетів, розплавляється у вогнестійкому тиглі, розміщеному в окремому індукторі над наплавлюваною деталлю.

Наплавка СВЧ особливо цінна там, де важливо зберегти структуру і властивості карбідних включень, досягнути мінімального сплав­лення їх з металом.

2.8.1.7. Інші способи

Наплавлення лежачим пластинчатим електродом. При включенні струму виникає дуга і електрод поступово плавиться. На поверхню наплавляється шар, ширина і довжина якого рівні розмірам електрода. Глибина проплавлення основного металу дуже мала.

Рис.2.59. Схема наплавлення лежачим пластинчатим електродом: 1 – підвід струму; 2 – масивна мідна плита; 3 – електрод; 4 – обмазка; 5 – флюс; 6 – виріб

Механізоване наплавлення вугільним електродом відрізняється від ручного тим, що вугільний або графітовий електрод закріплюється у водоохолоджуваному тримачі, який переміщається спеціальним механізмом. На поверхню насипають порошкоподібну шихту, яка розплавляється теплом дуги; одночасно оплавляється поверхня виробу. Недоліками даного методу є великі втрати на чад і розбризкування, а також низька якість наплавлення через відсутність застосування газового або шлакового захисту.

2.8.2. Зварювальна ванна

2.8.2.1. Тиск дуги і розміщення стовпа дуги

У стовпі дуги температура газу в залежності від режиму може досягати від 4000 до 8000 °С. Пари металу і компонентів флюсу при нагріванні розширюються і відбувається дисоціація складних молекул, що додатково збільшує об’єм газу. Виникає газовий потік, який за­хоплює краплини рідкого металу і шлаку та слугує продовженням електрода.

На поверхні металевої ванни площа активної плями порівняно мала – лінія електричного струму в шарі рідкого металу стягується до активної плями. З’являється так званий пінч-ефект - виникає електродинамічна сила, яка намагається витіснити рідкий метал із-під активної плями, спостерігається тиск дуги на поверхню металевої ванни. В більшості досліджень тиск дуги пропорційний квадрату струму. Коефіцієнт пропорційності складає від 1.2·10^-5 до 5.6·10^-5 г/А².

Розміщення стовпа дуги можна пояснити величиною L_зовн. (довжина стовпа дуги, яка розміщена вище поверхні основного металу).

2.8.2.2. Краплини електродного металу та їх температура

Перенесення металу в дузі. Розплавлений метал переноситься з електрода на виріб у вигляді краплин різного розміру, який залежить від ряду факторів. Оцінка відносної ролі кожного з них є затрудненою, тому перенесення металу дослідники визначають якісно як результат переважаючої дії: сили тяжіння, поверхневого натягу та електродинамічних сил; утворення оксиду вуглецю всередині краплини; стискаючої дії струму на стовп дуги та інших.

Розмір краплин металу. Експериментальні дані вказують на коливання розмірів краплин від 0.1 до 5.0 мм в діаметрі, безпосередній вплив на розмір краплин величини струму та вмісту вуглецю. Найбільша ймовірність появи в краплинок середнього розміру – 1.2¸2.5 мм.

Температура краплин електродного металу. Експеримен­тально встановлено, що середня температура краплин, які відриваються від електрода, дорівнює 2150 ± 100 °С.

2.8.2.3. Форма, розмір, вага ванни для зварювання

Метою наплавлення вважається переважно нанесення покриття на поверхню. Доцільно наплавляти шар великої ширини, особливо на плоских деталях. Для цього при наплавленні необхідно зменшити глибину і різко збільшити ширину ванни. Найбільш перспективне регулювання форми наплавлюваного валка полягає у збільшенні числа електродів. Крім того, форма ванни в поперечному перерізі в значній мірі залежить від тиску дуги, який, в свою чергу, залежить від нахилу поверхні та електрода, а також їх взаємного переміщення, розмірів електрода.

Інтегральне рівняння, виведене Н.Н.Рикаліним, рівняння гра­нич­ного стану процесу поширення тепла швидкорухомого потужного джерела в напівбезкінечному тілі, дає можливість визначити вагу металу в об’ємі, обмеженому ізотермічною поверхнею Т = Т_пл.

За допомогою цього рівняння можна описати наступну залежність температури від координат і часу:

, (2. 6)

де

Т_{(у, z, t)} – температура досліджуваної точки в температурному полі, °С;

Т₀ - середня температура тіла далеко від джерела, °С;

t - час від моменту, коли джерело перетнуло поверхню, перпендикулярну осі його руху, в якій знаходиться досліджувана точка, с;

у - координати точки, см; третя координата х замінена через швидкість u, см/c і час t,с;

l - коефіціент теплопровідності, кал/cм·с·град;

а = l/с_твg -коефіціент теплопровідності, см²/c;

с_тв - середня теплоємність твердого металу, кал/г·град;

g - густина, г/см³ ;

h_В - ефективний ККД нагрівання виробу дугою;

U_В - напруга дуги, В;

І_В - струм зварювання, А.

Вага ванни:

(2. 7)

де q = 0.24·h_В·І_В·U_В -ефективна теплова потужність, кал/с.

Рис.2.60. Схема зміни форми поперечного перерізу наплавленого валка в залежності від: 1 – напруги дуги; 2 – швидкості наплавлення; 3 – нахилу виробу; 4 – нахилу електрода; 5 – діаметру електрода; 6 – типу флюсу

2.8.3. Взаємодія шлаку і металу

Як показано вище, середні температури краплин металу, шлаку і зварювальної ванни практично стабільні при зміні режиму наплавлення. При наплавленні маловуглецевої сталі таким же дротом під звичайним флюсом характерними є температури:

краплини електродного металу.............. 2300±200°;

шлаку....................................................... 1550±100°;

ванни........................................................ 1770±100°.

Хімічний склад наплавленого металу сильно залежить від режиму наплавлення. Для пояснення впливу режиму наплавлення були висунуті дві ідеї:

1) в залежності від режиму змінюється ефективна температура зварювальної ванни і краплин металу;

2) збільшення кількості розплавленого флюсу призводить до розбавлення шлаку і змінює концентрації реагуючих речовин на по­верхні розділу шлак-метал.

З часом експериментально було показано, що перша ідея по­винна бути відкинута.

Оскільки взаємодія між розплавленим та твердим металом протікає на міжфазній границі, необхідними елементарними процесами є:

а) дифузія до границі розділу часточок, які беруть участь в ре­акції;

б) хімічна або електрохімічна взаємодія;

в) віддалення від границі розділу продуктів реакції.

2.8.4. Способи легування при наплавленні зносостійкого металу

Найкращий ефект одержання зносостійких наплавлених шарів досягається застосуванням високолегованих сплавів та інструмен­тальних сталей.

Отримання легованого наплавленого шару можливе різними способами з використанням відповідного електродного матеріалу і відновленням легуючих домішок з флюсу; їх присадкою тим чи іншим шляхом в зварювальну ванну.

Варіанти видів легування наплавленого металу можна звести до чотирьох принципово різних способів:

1) застосування легованого електродного дроту або стрічки і звичайного флюсу;

2) присадка легуючих матеріалів через дріт або стрічку (порошковий дріт або стрічка, складний і звитий дріт та ін.), флюс звичайний;

3) застосування звичайного дроту або стрічки та легуючого флюсу; механічне введення домішок феросплавів до флюсу, керамічний флюс і т.д.;

4) нанесення легуючих домішок на поверхню виробу, наплавлення звичайним електродним дротом під флюсом з повним розплавленням легуючих матеріалів; до цього способу повинні бути віднесені укладка на поверхню легованого присадочного прутка, насипання порошку, намазування паст та ін.

2.8.5. Зменшення пористості наплавленого металу

Вимоги до зменшення пористості при наплавленні багатьох виробів значно суворіші, ніж при зварюванні: при механічній обробці наплавленої поверхні внутрішні пори, які в звичайних умовах могли б залишитись непомітними, відкриваються.

При наплавленні під флюсом пори спостерігаються значно частіше, ніж при наплавленні відкритою дугою. Це іноді обмежує застосування наплавлення під флюсом, незважаючи на значні переваги цього методу.

2.8.6. Класифікація тріщин в наплавленому шарі

Якщо наявність в зварному шві тріщин – завжди недопустимий дефект, то значення їх в наплавленому шарі визначається умовами роботи виробу. Тріщини зовсім недопустимі там, де вони можуть викликати поломку виробу. Так, при наплавленні шийок колінчастого валу чи штанги великого конуса засипного апарату доменної печі одинична мікротріщина може стати початком втомного зламу відповідальної деталі. Для багатьох інших деталей обладнання наявність тріщин не має ніякого значення, якщо тільки вони орієнтовані паралельно наплавленій поверхні і не призводять до відшарування шматків наплавленого металу. Деталі, які не піддаються дії сильних ударів, добре працюють при наявності сітки тріщин, наприклад, броня багерного насоса, великий конус засипного апарату доменної печі, вила вуглерозмелювальних млинів та ін. Наявність тріщин тут допустиме, проте небажане, оскільки не дозволяє повністю ліквідувати викришування наплавленого металу. Є, також і такі деталі, де тріщини корисні. Так, на поверхні наплавлених прокатних валків обтискних і горнових кліток помірна кількість волосяних тріщинок сприяє утворенню “розгару” поверхні калібрів, що забезпечує добрий захват металу при прокатуванні.

Ретельний аналіз умов роботи наплавленого виробу дуже важливий при розробці технології наплавлення. Там, де тріщини допустимі, технологію наплавлення можна суттєво спростити і здешевити.

Є, однак, досить багато деталей, для яких надійне попередження тріщин має вирішальне значення, оскільки вони зменшують праце­здатність виробу, призводять до викрихчування наплавленого шару або можуть стати причиною поломки.

Тріщини, які утворюються при наплавленні, поділяються на три основні типи:

1) кристалізаційні (гарячі) тріщини в металі шва або наплавлення;

2) гартівні (біляшовні) тріщини в зоні термічного впливу;

3) крихкі або холодні тріщини, що утворюються через відповідний проміжок часу після закінчення наплавлення в наплавленому і в основному металі.

При наплавленні найбільш часто виникають дефекти, що є кристалізаційними тріщинами, які пошкоджують робочий шар і погіршують довговічність виробу. Запобігання цим тріщинам при наплавленні зносостійкого шару є дуже актуальною проблемою.

Гартівничі тріщини виникають в основному металі неподалік границі наплавленого валка. Утворення цих тріщин тісно пов’язане з характером напруженого стану, що виникає при нерівномірному нагріванні виробу, а також з конструкцією з’єднання. Наплавлення створює найменш жорсткі умови. Облицювання кромок при наплавленні використовується як операція, що попереджує зварювання стикових і кутових з’єднань з гартованих сталей.

Крихкі тріщини з’являються іноді в процесі охолодження виробу із наплавленим металом. В більшості випадків вони беруть початок від кристалізаційних тріщин. Добре відомо, що схильність до тріщиноутворення визначається перш за все хімічним складом металу, наявністю в ньому вуглецю та інших домішок. При наплавленні склад вибирають, виходячи з умов експлуатації виробу, так як виключити вуглець і багато інших домішок практично неможливо.

Можливості регулювання складу наплавленого металу відносно обмежені. Тому одним із способів попередження тріщин є попередній підігрів виробу. Однак, найбільш важливу роль відіграє раціональний вибір хімічного складу наплавленого металу, який забезпечує міні­мальну схильність до тріщин.

2.8.7. Сплави для наплавлення

Для наплавлення використовуються дуже різноманітні сплави. Їх класифікація найбільш зручна за хімічним складом, який визначає структуру, механічні властивості та зносостійкість. Спосіб наплавлення значно впливає на однорідність, виникнення дефектів та інші особливості наплавленого шару. Однак найважливіше значення має хімічний склад сплаву.

2.8.7.1. Вуглецеві і низьколеговані сталі та чавуни

Наплавлення сплавів даного типу застосовується дуже часто для відновлення розмірів різноманітних виробів. В якості електродів застосовуються низьковуглецеві низьколеговані сталі марок: 08Г, 08ГС, 15Г2С, 15Г2Х, 15ХГ2С, 25Х3 (див. табл.2.14). Це сталі, які містять менше 5% легуючих елементів.

Первинна структура низьколегованого наплавленого сплаву може бути виявлена спеціальними методами травлення. Вона складається зі стовпчастих кристалів, орієнтованих нормально до поверхні розділу наплавки та основного металу. При оптимальній формі на­плав­леного валка стовпчасті кристали направлені перпендикулярно робочій поверхні.

Абсолютні розміри первинних кристалів через велику швидкість кристалізації дуже малі: в десятки і сотні разів менші за кристали у відливках із сталі цього ж хімічного складу.

Своєрідною є вторинна структура наплавленого сплаву (рис.2.61). Внаслідок швидкого охолодження, обумовленого відводом тепла в масу виробу, високотемпературні фази переохолоджуються і розпад аустеніту проходить при порівняно низькій температурі з великою швидкістю. Дифузія вуглецю не встигає пройти повністю, і в наплавленому шарі виникають нерівноважні структури. Аустенітні зерна, зазвичай, утворюються в межах первинних кристалів. Доевтектоїдний ферит виділяється переважно по границях зерен. Співвідношення кількості фериту і перліту залежить від швидкості охолодження: чим вона більша, тим більшу долю структури складає нерівноважний перліт.

Таблиця 2.14.

Низьковуглецеві та низьколеговані сталі

(менше 5 мас.% легуючих елементів)

№ п/п	Марку-вання	Хімічний склад наплавленого металу, %	Твердість після наплавлення, НВ
C	Si	Mn	Cr
	08Г	0.08	0.4	1.0	–	160-200
	С8ГС	0.08	1.0	1.6	–	170-220
	15Г2С	0.15	0.8	1.8	–	180-240
	15Г2Х	0.15	0.4	1.7	0.7	200-270
	15ХГ2С	0.15	1.2	1.7	0.7	220-300
	25Х3	0.25	0.4	0.8	3.0	300-380

Наплавлення м’якого сплаву типу 08Г, 08ГС, 15Г2С широко застосовується для відновлення розмірів слабо навантажених деталей машин, посадочних ділянок під підшипники кочення і різні деталі, які потім піддаються наплавленню зносостійким матеріалом.

Структура наплавленого сплаву типу 15Г2Х, 15ХГ2С і особливо 25Х3, який містить хром, більш складна: поряд з нерівноважним перлітом можлива присутність і інших метастабільних структурних складових. Розпад аустеніту з утворенням перліту проходить лише частково або не відбувається. Основна маса металу зазнає перетворення при відносно низьких температурах. Дифузія вуглецю при ній є можлива, однак переміщення атомів заліза і легуючих елементів за­гальмоване повністю, і утворення фериту здійснюється бездифузійним шляхом, когерентно з аустенітом шляхом зародження і росту зародків. Як відомо, такий механізм розпаду призводить до утворення голчастого трооститу.

Рис.2.61. Вторинна структура металу типу 15Г2СХ, наплавленого при різній швидкості охолодження: а – 70 град/с; б – 15 град/с; в – 0.7 град/с; х500 (Є.Н. Морозовська)

Для деталей, які працюють в контакті з абразивним матеріалом, застосовуються низьколеговані сталі 60Х3, У10Х3ГМ, У30 (див. табл.2.15) та чавуни.

2.8.7.2. Високомарганцовисті сталі та чавуни

Високомарганцовиста аустенітна сталь Г13 (сталь Гатфільда) відома десятки років і в більшості випадків вважається неперевершеним зносостійким матеріалом.

Наплавлення сталей матеріалом Г13 застосовується при ремонті деталей, виготовлених як із сталей даного типу, так і з вуглецевих сталей, типовими представниками яких є: Г13М4, Г13М.

Наплавлення проводиться електродним дротом відповідного складу із покриттям або без нього, а також може бути виконане порошковим дротом чи електродною стрічкою під флюсом.

Таблиця 2.15.

Вуглецеві низьколеговані сталі

№ з/п	Маркування	Середній склад наплавленого металу, %	Твердість після наплавлення, НВ
C	Si	Mn	Cr	Mo
	60Х3	0.6	0.25	0.4	3.0	–	46-55
	У10Х3ГМ	1.0	0.25	1.5	3.0	1.0	48-62
	У30	3.0	1.00	0.5	–	–	40-50

Щоб наплавлений метал був стійким проти абразивного зношування, необхідна наявність в його структурі твердих структурних складових, зазвичай, карбідів. Високомарганцовисті високовуглецеві сплави (леговані чавуни) містять хром.

2.8.7.3. Високохромисті сталі і чавуни

Високохромисті сталі та чавуни – найбільш важлива група наплавлюваних матеріалів. Хром, як компонент сталі, володіє рядом цінних властивостей: надає сталі стійкості проти корозії, підвищує міцність при звичайних і високих температурах, збільшує прогартовуваність. Дякуючи високій спорідненості з вуглецем, хром утворює досить тверді і зносостійкі карбіди, які, власне, і забезпечують вище перераховані властивості.

Низько- і середрьовуглецеві високохромисті сталі. Найбільш часто застосовуються для наплавлення такі марки сталі: 10Х13, 10Х17МТ, 10Х25Н4Т, 30Х13, 40Х5М, 50Х9С3.

Високовуглецеві високохромисті сталі. Надзвичайно висока зносостійкість досягається при одночасному легуванні сталі великими кількостями хрому і вуглецю. Представниками даної групи є сталі: Х12М, Х12Т, Х12ВФ, Х15Н2С2, Х13Н4.

Високохромисті чавуни. Дослідження Р.Д.Хауорта показали, що стійкість проти абразивного зношування при інших рівних умовах тим вища, чим більше вуглецю і хрому міститься в сплаві. Очевидно, що в цьому випадку збільшується кількість карбідної евтектики. Одночасно зростає крихкість. Щоб покращити в’язкість наплавленого сплаву, в його склад вводять Ni i Mn або модифікатори, які подрібнюють стовпчасті кристали.

2.8.7.4. Хромонікелеві аустенітні сталі

Відмінними властивостями хромонікелевих аустенітних і аустеніто-феритних сталей є висока міцність і дуже висока в’язкість, ви­ключно висока стійкість проти корозії, окалиностійкість і жароміцність. Наплавлення аустенітних сталей в багатьох випадках використовується для збільшення довговічності деталей. Лопатки гідротурбін, гребні гвинти, гребні вали морських суден - приклади деталей, в зношуванні яких значну роль відіграє кавітація, корозія та ерозія.

Характерними представниками даної групи є сталі: 0Х18Н9, 1Х18Н9Т, Х20Н10Г6Т, Х20Н10Г6В, 20Х25Н16Г6.

Вказані сталі наплавляються відповідним електродним дротом або стрічкою під спеціальним флюсом в середовищі аргону або елек­тродною стрічкою з покриттям.

2.8.7.5. Високовольфрамові сталі

При гарячій обробці (прокатці, штампуванні, куванні) робоча поверхня інструменту повинна характеризуватись високою теплостійкістю та жароміцністю.

Вказані властивості забезпечуються наплавленням вольфрамових сталей наступних марок: 3Х2В8, 3Х2В4Ф, Р18, РВ6М5, Р9, Р13К3, Х10В14.

2.8.7.6. Сплави на основі Сu, Ni і Со

Мідні сплави. Сплави на основі міді характеризуються високими антифрикційними властивостями і корозійною стійкістю. Наплавлення деталей вузлів тертя проводиться переважно з таким розрахунком, щоб твердість наплавленого металу була на 50-75 НВ нижчою, ніж твердість співпрацюючої деталі. У відповідності з цим вибирають склад наплавленого металу і метод наплавлення. Типовими сплавами, які застосовуються як в США, так і в Європейських країнах є: БрАЖ10-1, БрАЖ12-4, БрАЖ13-4, БрАЖ14-4, БрАЖ15-4, БрАЖМц10-3-1.5, Бр0Ф5.5-0.3, Бр0Ф8-0.4, Бр0ФС6-0.4-16, БрКМц3-1.5.

Нікелеві сплави. Враховуючи високу вартість і дефіцитність нікелю сплави на його основі застосовуються рідко. Разом з цим деякі нікелеві сплави характеризуються надзвичайно цінними якостями і їх економічне використання у вигляді наплавленого матеріалу виправдане як з технічної, так і з економічної точки зору. До числа найважливіших нікелевих сплавів належать ніхроми і сплави типу колмоной: Х15Н60, Х20Н80, НХ10Р2, НХ13Р, НХ15Р.

Основною структурною складовою наплавленого ніхрому є ау­стеніт.

Кобальтові сплави. Кобальт ще більш дефіцитний і дорожчий метал, ніж нікель. Проте, сучасна техніка все частіше застосовує наплавлювані сплави на основі кобальту, оскільки вони є найбільш жароміцними із всіх спеціальних сплавів.

Типовими марками сплавів, які застосовуються для наплавлення зносостійкого покриття, є КВ5Х, КВ8Х30, КВ12Х30, КВ20Х30. Сплави цього типу відомі під назвою стелітів. Наплавлення проводиться зазвичай з використанням ацетилено-кисневого полум’я або в середовищі аргону (нерозплавлюваним електродом), а також електродами з покриттям.

2.8.7.7. Інші зносостійкі сплави

Карбідні композиції. Крім сплавів, які повністю розплавляються в процесі наплавлення, застосовується наплавлення литих і спечених твердих сплавів, зерна яких лише частково розчиняються в рідкому металі і в основному зберігають в наплавленому шарі свій вихідний склад і структуру. Подібні сплави широко використовуються для армування шарошок бурових долот, покриття різних деталей дробильно-розмелювального обладнання, зубів ковшів екскаватора та ін.

Серед вказаних твердих сплавів знаходять застосування литі кар­бідні сплави реліт та воломіт.

Сплави, які містять борид хрому. Дослідження, які проводились у науково-дослідному інституті твердих сплавів, виявили дуже цінні властивості бориду хрому як компонента наплавлюваних сплавів. Розроблена технологія промислового виробництва бориду хрому. Навіть при незначному масштабі виробництва борид хрому приблизно у 4 рази дешевший карбіду вольфраму і мало поступається йому в зносостійкості. Типовим представником вказаних сплавів є У70Х35Р5.

2.8.8. Електродні матеріали

Електродні матеріали, які використовуються при електродуговому наплавленні, можна розділити на зварювальні дроти, електродні стрічки та порошкові дроти.

Перші з них випускаються наступних розмірів: діаметром 0.3, 0.5 і 0.8 мм з допусками відповідно -0.05, -0.06, - 0.07 мм; діаметром 1.0, 1.2, 1.6, 2.0, 2.5 і 3.0 з допуском -0.12 мм; діаметром 4.0, 5.0 і 6.0 мм з допуском -0.16 мм; діаметром 8.0 з допуском -0.20 мм; діаметром 10 і 12 мм з допусками -0.24 мм.

Наплавлення електродною стрічкою отримало застосування вже понад 50 років тому. Зазвичай для наплавлення застосовується стандартна холоднокатана стрічка, виготовлена для різноманітних призначень; стрічка стальна холоднокатана з конструкційної сталі; стрічка стальна холоднокатана з інструментальної та пружинної сталі; стрічка стальна нержавіюча і стрічка високого омічного опору з жаростійких сплавів.

Сортамент стрічок, які випускаються, передбачає дуже широкий діапазон за товщиною та шириною. Практичне застосування при наплавленні знаходить стрічка товщиною 0,4-1,0 мм, шириною від 20-100 мм і більше.

У багатьох випадках виготовлення легованого дроту або стрічки для отримання зносостійкого наплавленого сплаву виявляється недоцільним або надзвичайно дорогим. Замість високолегованого дроту з успіхом використовується електродний дріт (з порошком всередині), різні конструкції якого випускаються промисловістю країн Європи, США та ін.

2.8.9. Вибір режимів наплавлення

Якість формування наплавленого шару, його хімічний склад і структура в значній мірі залежать від режиму наплавлення. Завжди бажана максимальна стабільність режиму. Через це перевагу має наплавлення постійним струмом, так як в заводських мережах змінного струму часто трапляються різні коливання напруги, що негативно впливає на стабільність режиму і, відповідно, на форму наплавленого валика. При наплавленні під флюсом джерелом живлення, зазвичай, служать зварювальні перетворювачі зі стрімкопадаючою зовнішньою характеристикою; можуть також використовуватись випрямлячі і перетворювачі з жорсткою характеристикою.

Режим наплавлення бажано вибрати таким, щоб було досягнуто: відмінне формування наплавленого валика, максимальна продуктивність (в кг/год), мінімальне (проте надійне) проплавлення основного сплаву або раніше наплавленого шару, мінімальний припуск для механічної обробки. Основними факторами, які визначають режим наплавлення, є: число електродів, струм, напруга дуги, швидкість переміщення дуги, розхід електродів, крок наплавлення, а при наплавленні тіл обертання - зміщення із зеніту.

При виборі режиму наплавлення під флюсом завжди доводиться враховувати залежність хімічного складу наплавленого металу від струму і напруги дуги. Зменшення струму і збільшення напруги підсилюють взаємодію шлаку і металу – відбувається окислення вуглецю, титану і хрому, відновлення кремнію і марганцю. Щоб отримати заданий склад сплаву, необхідно вибирати режим, виходячи із складу наявного електродного матеріалу. Оскільки всі фактори, які впливають на кінцевий склад наплавлюваного шару, не можуть бути розраховані, доцільно контролювати склад покриття хімічним аналізом стружки, взятої при механічній обробці наплавлених деталей, і при необхідності корегувати режим наплавлення.

Струм при наплавленні коливається від 50 до 1200А при напрузі дуги від 25 до 50 В.

Для наплавлення виготовляється промисловістю спеціальне обладнання, а також використовуються існуючі зварювальні агрегати. Зокрема, наплавлювальні апарати А-384 із спеціальними приставками, А-513, А-409, А-580, спеціальні апарати А-482, А-587, наплавлювальні установки загального призначення типу УПЗ, БМ та ВМ, наплавлювальні верстати Р-691, КЖ-34, КЖ-35, зварювальні перетворювачі, зварювальні трансформатори, індуктори для нагрівання деталей перед наплавленням.

Практично все обладнання працює від мережі змінного струму з напругою 220/380 В.

2.8.10. Застосування електродугового наплавлення

Застосування електродугового наплавлення є надто різноманітним. Це наплавлення стальних прокатних валків (валків трубопрокатних, сортопрокатних, листопрокатних станів, валки блюмінгу), деталей прокатного обладнання, засипного апарату доменної печі, пресового інструменту (втулки контейнерів, матриці), відновлення гребенів бандажів залізничних коліс, електрошлакове наплавлення кернів, відновлення деталей тракторів і автомобілів, наплавлення відбіленого чавуну, автоматичне наплавлення бронзи на стальні заготовки та ін.

Дата добавления: 2015-07-18