Электрошлаковую наплавку выполняют как сварочными аппаратами, так и специальными наплавочными аппаратами.

Из сварочных аппаратов для наплавки применяют, например, аппарат А-535 без задней подвески. Передний ползун заменяют специальным. Для наплавочных работ может быть применен аппарат А-550У с пластинчатым электродом (рис. 5.9).

5.5. НАПЛАВКА МЕДИ И ЕЕ СПЛАВОВ НА СТАЛЬ

В практике отечественного и зарубежного машиностроения ши­роко используют биметаллические соединения меди и ее сплавов со сталью, полученные с помощью различных способов.

Большинство существующих способов наплавки не позволяет избежать оплавления основного металла и интенсивного пере­мешивания его с присадочным металлом. Это ухудшает прочно­стные, антикоррозионные, электротехнические и другие свойства наплавленного металла. Дуговые способы наплавки имеют до­вольно низкую производительность.

В ИЭС им. Е. О. Патона разработан высокопроизводительный способ электрошлаковой наплавки меди и ее сплавов на сталь, позволяющий предотвратить оплавление основного металла. По физико-химическим процессам взаимодействия шлака, присадоч­ного металла и основного металла этот процесс близок к пайке.

Помимо электрошлаковой наплавки в вертикальном положе­нии по схеме, подобной рис. 5.18, известны электрошлаковая наплавка меди и ее сплавов на плоские поверхности в нижнем положении по схемам, изображенным на рис. 5.19 и 5.20, и на­плавка на внутренние поверхности тел вращения в нижнем поло­жении (рис. 5.21). По схеме рис. 5.18 наплавляют обычно слой толщиной 20–30 мм, по схеме рис. 5.19, 5.20 и 5.21 – слой тол­щиной 1–15 мм.

Особенности разработанного процесса состоят в следующем:

1. Температура шлаковой ванны находится в интервале выше температуры плавления присадочного металла, но ниже темпера­туры плавления основного металла.

2. Используют сварочные флюсы, температура плавления кото­рых ниже температуры плавления меди или ее сплавов на 300–400°С, а температура кипения образовавшегося шлака выше температуры плавления меди или ее сплавов, но ниже темпера­туры плавления стали. При этом шлак должен иметь достаточно широкий интервал рабочих температур, чтобы обеспечить устой­чивость протекания электрошлакового процесса.

3. Дополнительная стабилизация температуры шлаковой ванны осуществляется путем изменения индуктивного сопроти­вления сварочной цепи.

Сильное увеличение ин­дуктивности сварочной цепи может привести к появлению не­затухающих колебаний процесса наплавки. Поэтому оптимальное значение индуктивности должно быть таким, чтобы частная произ­водная выделяемой мощности по температуре была меньше ча­стной производной отдаваемой мощности по температуре, но не становилась отрицательной.

Рис. 5.18. Схема электрошлаковой наплавки компо­зитного сплава:   1— наплавляемая деталь; 2 — наплавленный ме­талл; 3 — металлическая ванна; 4 — шлаковая ванна; 5 — формирующее устройство; 6 — электродные про­волоки; 7 — мундштук; 8 —питатель-дозатор	Рис. 5.19. Схема наплавки меди на плоские по­верхности в нижнем положении:   1 — наплавленный слой; 2 — затравка; 3 — об­разец для наплавки; 4— формирующее устройство; 5 — шлаковая ванна; 6 — неплавящийся элек­трод; 7 — присадочный металл; 8 — жидкая ме­таллическая ванна

4. Источник тока (сварочный трансформатор) и индуктив­ное сопротивление подбирают такими, чтобы отношение напря­жения холостого хода источника к напряжению сварки = 1,2 ¸ 1,6.

5. Расплавленный флюс (шлак) имеет при сравнительно низких температурах (ниже 1500°С) достаточно высокую электропро­водимость и низкую вязкость, что благоприятствует поддержанию устойчивого электрошлакового процесса.

6. Шлак имеет высокую химическую активность по отношению к окислам присадочного и основного металлов, восстанавливая или растворяя их.

Рис. 5.20. Схема наплавки кольцевого пояска на торцовой поверхности:   1 — образец для наплавки; 2 — формирующее устройство; 3 — наплавленный слой; 4 — шлако­вая ванна; 5 — неплавящийся электрод; 6 — при­садочный материал (порошок)	Рис. 5.21. Схема наплавки на внутренние цилин­дрические поверхности:   1 — образец для наплавки; 2 — присадочный ма­териал; 3 — неплавящийся электрод; 4 — шлако­вая ванна; 5 — роликоопора; 6 — жидкая метал­лическая ванна; 7 — наплавленный слой

Для электрошлаковой наплавки меди и ее сплавов разработаны специальные флюсы, удовлетворяющие указанным выше усло­виям. Такие флюсы содержат хлоридно-фторидные соединения, а также бораты и карбонаты щелочных и щелочно-земельных металлов. В качестве основы флюса для электрошлаковой наплавки меди и ее сплавов принят фтористый натрий, который служит также растворителем и вос­становителем окислов, находящихся на наплавляемой поверх­ности.

Активными компонентами флюса являются борная кислота или борный ангидрид, бура или их смесь. Возможно использова­ние фторбората калия. Наличие в составе флюса борного анги­дрида снижает температуру плавления шлака и увеличивает интервал его кристаллизации, а также несколько увеличивает электросопротивление, что положительно сказывается на устой­чивости электрошлакового процесса. С целью стабилизации тем­пературы шлаковой ванны в состав флюса вводят углекислый калий или углекислый натрий.

Из числа флюсов для электрошлаковой наплавки меди и ее сплавов назовем АН-ЮМ и АН-12М. Эти флюсы имеют достаточно высокую электропроводимость и хорошо смачивают наплавляемую поверхность. Они жидкотекучи, и удержать их с помощью обыч­ных формирующих устройств трудно. Названные флюсы обеспе­чивают хорошую смачивалось твердой поверхности стали жидкой медью или ее сплавами, без чего невозможно получить качественную наплавку. Краевой угол смачивания стали медью в среде используемых шлаков при температуре () близок к нулю.

Полученные экспериментальные кинетические зависимости ра­стекания жидкой меди по стали при температурах 1100–1500°С показали, что скорость растекания растет с температурой. Флюсы на основе фтористого натрия благоприятствуют растеканию жидкой меди по стали. В условиях электрошлаковой наплавки жидкий расплав смачивает вертикальную поверхность. Опытами по растеканию на вертикальной стенке установлено, что простран­ственное положение твердой поверхности не влияет на характер смачивания. Электрошлаковый процесс обеспечивает смачивание стали медью при соблюдении технологических параметров и не­обходимых температурно-временных условий наплавки.

Качество сварного соединения медь – сталь определяется составом и структурой наплавленного металла и зоны термического влияния. Даже кратковременное сосуществование твердой и жидкой фаз при наплавке меди на сталь приводит к образованию твердых растворов или химических соединений вблизи зоны сплавления, уменьшающих пластичность этой зоны.

Для определения характера перехода железа в медь и меди в основной металл исследовали взаимодействие жидкой меди с твердой сталью методом вращающегося образца. Опыты проводили в электрической печи. Были использованы образцы диа­метром 10 мм из стали 20, содержащей 99,5 % Fe, и медный расплав, содержащий 99,9 % Сu. Установлено, что сталь растворяется в меди в диапазоне температур 1100–1500°С (рис. 5.22).

Рис. 5.22. Кинетика растворения железа в меди:   а — скорость растворения в зависимости от угловой скорости; б — влияние концентра­ции железа в меди на скорость растворения  

Линейная зависимость скорости растворения от корня ква­дратного из угловой скорости вращения образца позволяет при­менить к анализу полученных результатов уравнение диффузион­ной кинетики:

, (5.1)

где – скорость растворения, г/см²;

D – коэффициент диффу­зии, см·с;

v – кинематическая вязкость, см²/с;

и – кон­центрация насыщения, г/см³;

– мольная доля диффундирующего элемента при насыщении;

– угловая скорость вращения образца, с^-1;

k – приведенная скорость растворения, г/см³.

Температурная зависимость приведенной скорости растворе­ния исследуемой системы имеет экспоненциальный характер

. (5.2)

Энергия активации растворения стали 20 в меди M l равна 83·10⁸ Дж/моль (19,8 ккал/моль). С увеличением концентрации стали 20 в меди скорость растворения стали уменьшается по линейному закону (рис. 9.35, б). Это возможно, когда величины и мало изменяются с концентрацией, что вполне правдоподобно, так как растворимость стали в меди при данных температурах невелика.

Полученная растворимость стали 20 в меди описывается эмпи­рической формулой

, (5.3)

справедливой в исследуемом интервале температур.

На основании данных о вязкости и плотности меди, а также полученных нами значений растворимости стали 20 в меди опре­деляют коэффициент диффузии железа из стали 20 в медь M l (для Т = 1095–1420°С) D = (0,18–0,37)·10^-4 см²/с. Энергия активации диффузии в этом случае составляет 1,46-10⁵ Дж/моль. (35 ккал/моль).

Опыты показали, что скорость растворения стали 20 в меди при электрошлаковой сварке сопоставима со скоростью растворе­ния, определенной на вращающемся образце при = 30 с^-1, и составляет г/см²·с.

При электрошлаковой наплавке меди на сталь имеет место также диффузия меди в сталь. Она протекает в основном по межзеренным границам. Скорость этой диффузии увеличивается с уменьшением размеров зерна. Проникновению меди в сталь спо­собствует водород, который диффундирует в сторону участков с большей температурой и образует затем микроскопические трещины-надрывы. Средняя глубина проникновения меди в тело стальной детали составляет 0,5–0,6мм, но при длительном кон­такте стали с медью достигает 3 мм. В последнем случае с помощью послойного химического анализа обнаружено, что на расстоянии 1 мм от линии сплавления в глубь стальной заготовки содержание меди равно @ 0,1 %, а на расстоянии 2 мм – менее 0,05 %.

Чтобы избежать глубокого проникновения меди в сталь, наплавку ведут с минимальным нагревом наплавляемой поверх­ности и с максимальной допустимой скоростью. Надежное смачи­вание стали медью, а следовательно, и качественную наплавку можно получить, если температура наплавляемой поверхности стальной заготовки составляет 1200–1350°С. На рис. 5.23 на основании экспериментов показано, что температура шлаковой ванны (кривые 1) уменьшается при уменьшении напряжения холостого хода трансформатора и увеличении ,которое происходит при увеличении индуктивного сопротивления сварочной цепи.

Заштрихованная область, ограниченная отрезками 2, отделяет область устойчивого протекания процесса (слева) от области, в которой устойчивость процесса нарушается вследствие увели­чения индуктивного сопротивления. Используемый при наплавке флюс позволяет обеспечить устойчивость процесса при относи­тельно низких температурах (до 700°С). Однако такие температуры шлака недопустимы при наплавке, так как они не обеспечивают сплавление меди со сталью и даже ее расплавление.

Чтобы обеспечить заданный интервал температур 1200–1350°С необходимо поддерживать достаточно высокое (до 52 В) и небольшое (не более 1,3–1,5). Для увеличения скорости наплавки в вертикальном положении (рис. 5.18) рекомендуется применять пластинчатый электрод а в случае наплавки на криволинейную поверхность - плавящийся мундштук. Толщину пластинчатого электрода принимают равной 6–8 мм. Толщина плавящегося мундштука должна со­ставлять около половины толщины наплавляемого слоя, диаметр электродной проволоки принимают 3–6 мм. Расстояние между электродными проволоками не должно превышать 60 мм.

Рис. 5.23. Кинетика растворения железа в меди:   а – скорость растворения в зависимости от угловой скорости; б – влияние концентрации железа в меди на скорость растворения

Ниже в качестве примера приведены рекомендуемые параметры режима наплавки в вертикальном положении.

Наплавка мели на сталь слоем толщиной 20–28 мм с использованием пластинча­того электрода: = 48–52 В; = 45–50 мм; = 6–8 мм; =4–8 м/ч; = 1–2,5 м/ч; = 1,2–1,5.

Наплавка меди на сталь слоем 30 мм с использованием плавящегося мундштука: = 40–44 В; = 50–60 мм; = 12–14 мм = 3–4 мм; = 190–210 м/ч; = 1,5–2,5 м/ч; = 1,2–1,3. Формирующие устройства могут быть с ослабленным охлаждением.

При электрошлаковой наплавке в нижнем положении исполь­зуют, как правило, нерасходуемый (неплавящийся) электрод, например из графита (рис. 5.19 – 5.21). С его помощью наплавляемую поверхность нагревают до заданной температуры. Плавление же присадочного металла может осуществляться либо за счет теплоты, выделяемой в шлаковой ванне при прохождении электрического тока между нерасходуемым электродом и напла­вляемой поверхностью, либо в результате использования при­садочного металла в виде второго, плавящегося электрода. Пер­вый случай изображен на рис. 5.19 – 5.21, различные варианты второго случая - на рис. 5.24, а, б.

  а б

  Рис. 5.24. Варианты подключения плавящегося электрода к источнику сварочного тока при электрошлаковой наплавке в нижнем положении:   а — присадочный металл и неплавящийся электрод подключены к одному источнику питания; б — присадочный металл и неплавящийся электрод подключены к независи­мым источникам питания;   1 — неплавящийся электрод; 2 — присадочный металл  

Использование нерасходуемого электрода позволяет плавно и в широких пределах регулировать мощность, расходуемую на подогрев наплавляемой поверхности независимо от количества расплавляемого присадочного металла.

Толщину наплавляемого слоя в вариантах, изображенных на рис. 5.21 и 5.22, регулируют количеством подаваемого (или предварительно укладываемого) присадочного металла, а в ва­риантах, изображенных на рис. 5.19 и 5.23, — скоростью подачи присадочного металла и скоростью перемещения формирующего устройства. В последнем случае присадочный металл можно подавать в расплавленном состоянии, для чего, например, про­пускают проволоку или пруток присадочного металла через индуктор, питаемый от источника тока высокой частоты. При электрошлаковой наплавке изделий широких валиков используют неплавящийся электрод в виде отдельных секций или стержней, равномерно размещенных по ширине шлаковой ванны. Жела­тельно также выполнять колебательные движения изделия или электродов поперек шлаковой ванны.

Поверхность наплавленного слоя обычно достаточно гладкая и не требует последующей механической обработки. При контроле качества биметаллического изделия, полученного электрошлако­вой наплавкой, целесообразно исследовать наплавленный металл, основной металл в зоне термического влияния и определить свой­ства биметаллического соединения в целом. Наплавленный слой отличается высокой плотностью, отсутствием трещин и шлаковых включений. Макроструктура наплавленного слоя имеет крупно­зернистое строение с перпендикулярным направлением осей кри­сталлов относительно наплавляемой поверхности. Результаты испытаний наплавленного слоя на разрыв и ударный изгиб при­ведены в табл. 5.1. Механические свойства наплавленного ме­талла практически не уступают исходному.

Таблица 5.1

Металл					, Дж/м^2 (кгс·м/см^2)
МН/м^2 (кгс/мм^2)	%
Медь: исходный (элек­трод, прокат)	200 - 216	69 -109	46,1—60.4	77,4 - 87,2	16,9 (169)
208 (21,2)	89 (9,1)	53,2	82,3
наплавленный слой	198 - 190	64 -76	47,8 - 46,3	75,0 – 73,3	16 (160)
194 (19,8)	70 (7,2)	47,1	76,1
Бронза: исходный (элек­трод, литье)	446 - 470	238 - 258	20,8 - 25	1.5,8 - 17	2,8 (28)
458 (46,2)	249 (25,2)	22,9	16,4
наплавленный слой	395 - 555	270 - 240	21,7 - 26,3	16,3 - 18,7	3,3 (33)
475 (48,4)	255 (23,6)		17,5

Для определения прочностных свойств основного металла наплавленный слой тщательно удаляют механическим путем. Ударная вязкость основного металла, прилегающего к линии сплавления, значительно превышает этот показатель для исход­ного материала (рис. 5.25, а). Очевидно, медь, диффундировавшая по границам кристаллов, упрочняет связь между ними.

Глубина проникновения меди в сталь практически не влияет на ее , но заметно сказывается на (рис. 5.25, б). Так, при глубине про­никновения 2,3 мм составляет 80 %, при глубине 1,5 мм — 90 % исходной стали. с ростом глубины проникновения сни­жается до 30 %, а — до 50 % (рис. 5.25, в). На угол изгиба глубина проникновения не влияет.

При исследовании свойств биметаллического соединения в це­лом надежность сцепления стали с медью и бронзой определяли на образцах для испытания на срез, отрыв и изгиб (табл. 5.2).

  Рис. 5.25. Зависимость ме­ханических свойств основ­ного металла (стали) вблизи линии сплавления от глуби­ны проникновения в него меди в результате электрошлако­вой наплавки  

Таблица 5.2

Испытание	Биметалл	Числовые значения	Примечание
На срез, , МН/м^8(кгс/мм^2)	Сталь Ст3 — медь Ml     Сталь Ст3 — бронза БрАЖ-9-4	67,5—91 (6,9—9,3)   243—536 (24,7—34,6)	—
На изгиб , град	Наплавка внутрь Американская проба		Скалывания нет
На отрыв, , МН/м^2(кгс/мм^2)	Сталь —медь     Сталь — бронза	180—192 (18,3—19,6)   370—520 (39,8—53,7)	Разрушение по налавленному слою

Пик микротвердости в основном металле у линии сплавления на рис. 5.26 свидетельствует о наличии интерметаллического соединения железа с медью. Наплавленный металл отличается хорошей коррозионной стойкостью в различных агрессивных сре­дах, например, в фосфорной кислоте при температуре кипения последней.

Рис. 5.26. Микротвердость наплавлен­ного (меди) и основного (стали) метал­лов вблизи линии сплавления	Рис. 5.27. Биметаллический Образец медь - сталь после испытаний на отрыв

Было выполнено испытание на разгонном стенде стальных биметаллических дисков диаметром 290 мм с наплавленным в торце слоем меди толщиной 4 и 10 мм. Скорость вращения дисков уста­навливали такой (n = 12 000 с^-1), чтобы максимальные напряже­ния в них от действия центробежных сил превышали вдвое меди. Разрушения дисков не произошло. При дальнейшем увели­чении скорости вращения дисков стальная основа разрушилась при напряжении, составляющем 85 % величины расчетных напря­жений в стали, причем характер разрушения наплавленного диска был такой же, как и цельного (рис. 5.27).

5.6. НАПЛАВКА ИЗНОСОСТОЙКИХ

И АНТИКОРРОЗИОННЫХ СПЛАВОВ

В настоящее время с помощью электрошлаковой наплавки на поверхности деталей наносят различные стали и сплавы: высокохромистые ледебуритные стали; хромовольфрамовую сталь ЗХ2В8; быстрорежущие стали; сплав типа сталинит; чугуны и др.

Электрошлаковую наплавку применяют, если площадь поверх­ности детали, подлежащей наплавке, достаточно велика. Ее выполняют как в нижнем, так и в вертикальном положении. Для высокохромистых ледебуритных сталей типа Х12 основными легирующими элементами являются углерод (1,2—2,3 %) и хром (11,5—13,5 %). Некоторые из сталей этого типа легируют незна­чительными добавками вольфрама, молибдена, азота, никеля, ванадия и титана. Основные легирующие элементы сообщают сталям высокую твердость, износостойкость, глубокую прокаливаемость и малую деформируемость при закалке. После отжига они удовлетворительно обрабатываются резцом.

Инструмент с наплавленным слоем из сталей типа Х12 пред­назначен для обработки особо твердых материалов. Для наплавки применяют преимущественно порошковые электродные проволоки диаметром 2,8—3,0 мм и флюс АН-26. Химический состав порошко­вых проволок приведен в табл. 5.3. Указанные проволоки обес­печивают наплавленному металлу стандартный состав на обычных режимах электрошлаковой наплавки ( на одну проволоку 250—500 A, = 30—35 В). Лучшие результаты получены на пере­менном токе.

Таблица 5.3

Химический состав порошко­вых проволок

Проволока	Состав, % (0,3 % Si, 0,4 % Mn)
С	Cr	V	Другие элементы
ПП-Х12ВФ/ЭШ	2,3—2,4	16—17	0,3	1,2 W
ПП-Х12М/ЭШ		15,5	0,3	0,7 Мо
ПП-Х12Ф1/ЭШ			1,2	—
ПП-Х12Н4Ф/ЭШ	2,3—2,5		0,3	4 Ni
ПП-Х12/ЭШ	2,3—2,5	16—17	—	—

Заготовки массой более 25 кг следует подогревать перед на­плавкой, а после наплавки отжигать при температуре 700°С в течение 1—2 ч с медленным остыванием. Это позволит избежать появления холодных трещин после наплавки.

Для последующей механической обработки наплавленное изде­лие отжигают по режиму: нагрев до 800—870°С, выдержка 1 - 4 ч, медленное охлаждение до 700°С, охлаждение на воздухе; суммарное время охлаждения должно составлять не менее 10 ч. После механической обработки изделие подвергают закалке с от­пуском. Режимы закалки выбирают в зависимости от характера эксплуатации.

Сталь марки ЗХ2В8 используют для электрошлаковой на­плавки кернов клещевых кранов, работающих в условиях высокой температуры (1250—1300°С) и больших нагрузок (масса транс­портируемых слитков до 15 т).

Корпус керна изготовляют из стали 45, ГОСТ 1050-74. Сталь ЗХ2В8 наплавляют на рабочую поверхность керна в нижнем положении по схеме, изображенной на рис. 5.28.

Используют флюс АНФ-1, а в качестве электрода — прокатный пруток диа­метром 20 мм из указанной выше стали. Наплавку осуществляют на серийной сварочной установке А-528 или А-550-1 с источником питания ТШС-3000/1, ТШС-1000/3 или ТРМК-3000/1. Скорости подачи электрода в процессе электрошлаковой наплавки 6 м/ч; время наплавки 1,5 мин. После наплавки и отпуска слой из стали ЗХ2В8 имеет твер­дость HRC 52—54. Наплавленный металл имеет следующий химический состав: 0,3—0,4 % С; 2—2,5 % Сг; 7,5—9 % W; 0,2—0,3 % Mn; 0,2—0,4 % Si; 0,2—0,3 % V.

Рис. 5.28. Схема процесса наплавки кернов клещевых кранов: 1 — электрод; 2 — заготовка изделия; 3 — шлаковая ванна; 4 — медный водоохлаждаемый кокиль; 5 — на­плавленный слой

По сравнению с применявшейся ранее технологией ручной дуговой наплавки сплавом типа сормайт-1 стойкость наплавлен­ного слоя увеличилась, процесс наплавки механизирован.

Быстрорежущую сталь типа Р-18 наплавляют на рабочие поверх­ности режущих инструментов: крупных червячных фрез, долбяков, дисковых фрез и т. д.

В зависимости от формы и размера наплавляемой детали ис­пользуют электродные материалы в виде кованых прутков боль­шого сечения из указанной стали или порошковую проволоку. В табл. 5.4 приведен химический состав (%) порошковой про­волоки и наплавленного с ее использованием металла (сварочный флюс АН-22).

Таблица 5.4

Химический состав (%) порошковой про­волоки

и наплавленного с ее использованием металла

Материал	С	Сг	W	V	Mn
Проволока	1,28	2,53	13,3	1,51	0,66
Наплавленный металл	0,84	1,57	13,0	1,58	Не определено

Режим наплавки зависит от типа используемого электродного материала. Если в качестве электрода применяют пруток большого сечения, режим наплавки такой же, как при наплавке прутком из стали ЗХ2В8. При использовании порошковой проволоки наплавку выполняют на режиме: = 360 A, = 35—36 В.

Сталь Р18 склонна к образованию закалочных трещин, по­этому заготовку необходимо предварительно подогревать.

Дата добавления: 2015-08-20