Наплавка твердых сплавов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Наплавка - нанесение с помощью сварки слоя металла на поверхность изделия. При восстановлении, ремонте наплавку выполняют примерно тем же металлом, из которого изготовлено изделие, однако такое решение не всегда целесообразно. Иногда при изготовлении новых деталей (и даже при ремонте) целесообразней на поверхности получить металл, отличающийся от металла детали. Действительно, в ряде случаев условия эксплуатации поверхностных слоев значительно отличаются от условий эксплуатации всего остального материала изделия. Так, например, если деталь (изделие) должна определять общую прочность, которая зависит от свойств металла и его сечения, то поверхностные слои часто дополнительно должны работать на абразивный или абразивно-ударный износ (направляющие станин, зубья ковшей землеройных орудий, желоба валков канатно-подъемных устройств и др.).

Условия работы могут усложняться повышенной температурой, эрозионно-коррозионным воздействием окружающей среды (морской воды, различных реагентов в химических производствах и др.). В качестве примера можно указать клапаны двигателей, уплотнительные поверхности задвижек, поверхности валков горячей прокатки и т.п. Иногда такие детали и изделия целиком изготовляют из металла, который обеспечивает и требования к эксплуатационной надежности работы его поверхностей. Однако это не всегда наилучшее и, как правило, не экономичное решение. Часто оказывается целесообразней все изделие изготовлять из более дешевого и достаточно работоспособного металла для конкретных условий эксплуатации и только на поверхностях, работающих в особых условиях, иметь необходимый по толщине слой другого материала. Иногда это достигается применением биметаллов (низкоуглеродистая сталь + коррозионно-стойкая сталь; сталь + титан и др.), а также поверхностным упрочнением (поверхностной закалкой, электроискровой обработкой и др.), нанесением тонких поверхностных слоев (металлизацией, напылением и пр.) или наплавкой слоев значительной толщины на поверхность. Наплавку осуществляют нанесением расплавленного металла на поверхность изделия, нагретую до оплавления или до температуры надежного смачивания жидким наплавленным металлом. Наплавленный слой образует одно целое с основным металлом (металлическая связь). Толщина наплавленного металла, образованного одним или несколькими слоями, может быть различной: 0,5 ... 10 мм и более. Необходимые свойства металла наплавленного слоя зависят от его химического состава, который, в свою очередь, определяется составом основного и дополнительного металлов и долями их участия в образовании шва. Для случаев когда желательно иметь в наплавленном слое состав, максимально приближающийся к составу наплавляемого металла, необходимо стремиться к минимальному проплавлению основного металла, т.е. к уменьшению доли основного металла в металле шва (г₀).

Доля участия основного металла в формировании наплавленного металла зависит как от принятого способа, так и от режима наплавки. Различные дуговые методы наплавки отличаются друг от друга тепловой подготовкой основного и наплавляемого металлов. При плазменной наплавке с токоведущей присадочной проволокой тепло-вложение преимущественно осуществляют в присадочную проволоку, основной металл подогревается достигающими его поверхности остывающими потоками плазмы дуги и теплотой перегретого жидкого наплавляемого металла. Проплавление основного металла в этом случае может быть заметно уменьшено. При дуге прямого действия, когда на основном металле располагается катодное или анодное пятно дуги, ограничить расплавление основного металла значительно труднее, особенно при значительном сосредоточении дугового разряда (уменьшении диаметра плавящегося электрода, увеличении плотности тока в электроде). Рассредоточение тепло-вложение в основной металл, например при ленточном электроде, когда дуга перемещается по торцу ленты от одного конца к другому и иногда возникает одновременно в нескольких местах, может заметно снизить долю расплавляемого основного металла. При ручной дуговой наплавке покрытыми электродами, а особенно при механизированной наплавке плавящейся электродной проволокой в среде защитных газов или под флюсом, доля основного металла в наплавленном слое г₀, как правило, не может быть, без опасности получения непровара, снижена менее чем до 0,2 мм. Сопоставление долей участия основного металла в 1-м слое применительно к наплавке хромоникелевой аустенитной стали на низкоуглеродистую различными способами наплавки на обычных режимах приведено в виде диаграммы на рисунке 1. Естественно, что г₀ зависит также от свойств основного и наплавляемого металлов, в частности от их температуры плавления. Например, дуговая наплавка покрытыми электродами, обеспечивающими наплавленный металл типа алюминиевой бронзы (Т_пл = 1000 ⁰С), на низкоуглеродистую сталь дает меньшую долю г₀, чем показано на рис. 1 для того же способа наплавки, но высоколегированной стали (Т_пл = 1420 ⁰С). Определенную роль в этом снижении г₀ играет и увеличение коэффициента наплавки б_н (г/А*ч), который при бронзовых электродах составляет ~18 г/(А*ч), а при электродах из высоколегированной стали ~13 г/(А*ч).

Рисунок 1. Доля участия основного металла в первом слое наплавки (хромоникелевая аустенитная сталь), выполненной различными способами на обычных режимах

1 - автоматическая под флюсом;

2 - ручная дуговая покрытыми электродами;

3 - автоматическая под флюсом с дополнительной присадочной проволокой;

4 - автоматическая под флюсом ленточным электродом;

5 - плазменной струей с токоведущей проволокой

Аналогично может влиять и применение при наплавке, выполняемой под флюсом или в защитных газах, электродной ленты, спрессованной из порошков, по сравнению с прокатной. Большее электрическое сопротивление спрессованной ленты и ее меньшая теплопроводность приводят к более быстрому ее расплавлению и возможному уменьшению доли основного металла в наплавленном слое.

Естественно, что на долю основного металла в наплавленном слое влияет и интенсивность теплоотвода в наплавляемом изделии, который зависит от теплофизических свойств металла этого изделия, его геометрических размеров (в частности, толщины металла вблизи наплавляемой поверхности), а также наличия искусственного регулирования термического режима наплавляемой детали (сопутствующего наплавке подогрева или интенсификации охлаждения различными приемами). На рисунке 2 показано влияние на величину г₀ толщины наплавляемой детали (алюминиевой бронзы) при наплавке монель-металла покрытыми электродами разного диаметра. При увеличении толщины детали усиливается теплоотвод и уменьшается проплавление основного металла.

наплавка сварка металл

Рисунок 2. Влияние толщины детали и режима наплавки на долю основного металла в одиночном валике (г₀) при наплавке медно-никелевыми электродами на бронзу

1 - O 4 мм, I_св =140 А; 2 - O 5 мм, I_св = 190 А; 3 - O 6 мм, I_св = 210 А

Обеспечение в наплавленном металле (особенно при однослойной наплавке) требуемого состава в некоторых случаях может потребовать использования дополнительных (присадочных электродных) металлов таких составов, при которых ухудшается их деформируемость. Поэтому оказывается невозможным из таких сплавов изготовить электродную проволоку, прокатать ленту. В этом случае наплавочные материалы могут быть получены в порошкообразном либо зернообразном виде. Использование порошков и зерен затрудняет наплавку, в частности в связи с возможным раздуванием порошков и отсутствием стабильности легирования по длине наплавки из-за сепарации частиц получить необходимый состав металла даже в 1-м слое (правда, в основном для небольшой площади наплавки на деталях малых размеров) можно наложением на наплавляемую поверхность предварительно спрессованных из порошков (иногда спеченных или скрепленных какой-нибудь связующей добавкой) наплавочных заготовок (колец и пр.) с последующим их расплавлением и подплавлением располагающегося под заготовкой основного металла. Для этого наиболее часто в качестве источника нагрева используют дугу с неплавящимся, обычно вольфрамовым, электродом, плазму или токи высокой частоты. При правильном подборе режима основной металл, получающий подогрев за счет теплопередачи через наплавочный металл, может расплавляться ограниченно, не приводя к большим значениям г₀ в наплавленном слое. Значительно менее стабильные результаты получаются при наплавке зернистых твердых сплавов угольной дугой. Схемы наиболее распространенных способов наплавки приведены на рисунке 3.

Широкое применение в настоящее время находят плазменные методы наплавки и напыления. Основные схемы плазменной наплавки представлены на рисунке 4. Наибольшее распространение получила плазменно-порошковая наплавка. При плазменной наплавке обеспечивается высокое качество наплавленного металла, малая глубина противления основного металла при высокой прочности сцепления, возможность наплавки тонких слоев.

В зависимости от условий эксплуатации поверхностных слоев различных изделий требования к наплавленному слою различны. Наибольшее распространение получили наплавочные слои, которые можно классифицировать в основном по пяти группам:

1. Стали (углеродистые и высокоуглеродистые, хромомарганцовистые, хромистые и высокохромистые, хромоникелевые, высоковольфрамовые и молибденовые);

2. Специальные сплавы на основе железа (высокохромистые чугуны, сплавы с хромом и бором, сплавы с кобальтом, молибденом и вольфрамом);

3. Сплавы на основе никеля и кобальта (хромоникелевые сплавы с бором и кремнием, никелевые сплавы с молибденом, кобальтовые сплавы с хромом и вольфрамом);

4. Карбидные сплавы (с карбидами вольфрама, ванадия, хрома);

5. Сплавы на медной основе (бронзы алюминиевые, оловянно-фосфористые).

Рисунок 3. Схемы основных способов дуговой и электрошлаковой наплавки

а) угольным (графитовым) электродом (1) расплавлением слоя сыпучего зернистого наплавочного сплава (2);

б) ручной дуговой покрытым электродом (1) с легирующим покрытием (2);

в) неплавящимся вольфрамовым электродом (1) в защитных инертных газах с подаваемым в дугу присадочным прутком (2);

г) плавящимся электродом (1) в защитных (инертных, активных) газах;

д) автоматическая дуговая плавящейся электродной (обычно легированной) проволокой (1) под флюсом (2);

е) плавящейся лентой (1) катаной, литой или прессованной из порошков в защитных газах или под флюсом;

ж) расплавлением плазменной струей плазмотрона (1), предварительно наложенного литого или спеченного из порошков кольца (2) наплавочного материала;

з) электрошлаковая наплавка плавящимися электродами (1) с перемещаемым составным медным ползуном (2);

и) наплавляемая деталь; 4 - наплавленный слой

Рисунок 4. Схемы плазменной наплавки

а) плазменной струей с токоведущей присадочной проволокой;

б) плазменной дугой с нейтральной присадочной проволокой;

в) комбинированный (двойной) дугой одной проволокой;

г) то же, с двумя проволоками; д) горячими проволоками;

е) плавящимся электродом;

ж) с внутренней подачей порошка в дугу;

з) с внешней подачей порошка в дугу;

1 - защитное сопло; 2 - сопло плазмотрона;

3 - защитный газ;

4 - плазмообразующий газ;

5 - электрод;

6 - присадочная проволока; 7- изделие;

8 - источник питания косвенной дуги;

9 - источник питания дуги прямого действия;

10 - трансформатор;

11 - источник питания дуги плавящегося электрода;

12 - порошок;

13 - порошок твердого сплава.

Задача наплавки - получение достаточно однородного по требуемым характеристикам (техническим условиям) слоя наиболее экономичными и производительными методами.

Обычно наплавляют на конструкционные углеродистые или низко- и среднелегированные стали.

Часто приходится отказываться от выполнения наплавки одним составом наплавляемого материала (обеспечивающего требуемые свойства поверхности), и применять усложненную технологию - предварительно наплавлять подслой, т.е. промежуточный слой из другого наплавочного материала, который может обеспечить надежные свойства в зоне сплавления с основным материалом детали, а затем тот материал, который требуется на поверхности наплавленной детали по условиям ее надежной эксплуатации.

При наплавке необходимо комплексно решать ряд сложных вопросов: выбор материала, обеспечивающего соответствующие условиям эксплуатации свойства; возможность наплавки этого материала непосредственно на основной металл детали или подбор материала для наплавки подслоя; выбор способа и режима наплавки, формы и методов изготовления наплавочных материалов; выбор термического режима для выполнения наплавки (сопутствующего подогрева для исключения получения хрупких подкаленных зон в металле детали или в хрупком наплавленном слое; интенсификации охлаждения наплавляемой детали, когда для металла нежелательно длительное пребывание при высоких температурах); установление необходимости последующей термической (общей или местной) обработки (для получения необходимых эксплуатационных характеристик или возможности промежуточной механической обработки). (ЗАПОМНИТЬ)

При возможности получения желаемых результатов путем использования нескольких способов наплавки (если необходимо и последующей механической обработки) важны и технико-экономические показатели сопоставляемых способов.

Особенности технологии и техники наплавки

Выбор рационального способа и технологических приемов наплавки определяется необходимостью получения детали с требуемыми размерами и наплавленного слоя с требуемыми свойствами. При этом должна быть обеспечена максимальная производительность и экономичность процесса.

Технологические приемы и режимы дуговой наплавки зависят от формы и размеров изделий и важны для получения надлежащего качества и состава наплавленного слоя. При этом приходится учитывать разбавление наплавленного металла основным. Такое разбавление необходимо ограничивать. Это может быть достигнуто выбором перекрытия валиков при наплавке каждого (особенно первого) слоя. Так, при наложении 1-го слоя (см.рисунок 6), а без перекрытия (m/b > 1) доля основного металла г₀ составляет ~0,65, а при перекрытии по ширине m/b = 0,46 эта доля уменьшается до ~0,45. В связи с этим такой метод перекрытия весьма распространен при наплавке. При ручной наплавке m/b примерно 0,35, при автоматической под флюсом проволоками кругового сплошного сечения m/b = 0,4 ... 0,5. Увеличение m/b может привести к неблагоприятной форме выпуклости валика и непровару места перехода от предыдущего валика к последующему. Заметно может быть уменьшено значение m/b при наплавке ленточным электродом или несколькими плавящимися электродами, обеспечивающими в один проход достаточно широкий слой.

Рисунок 6. Влияние шага наплавки на долю основного металла в составе наплавленного слоя : а - шаг m близок к ширине валика b; г₀ = 0,65; b - шаг m = 0,46 b, г₀ = 0,45

В большом числе случаев наплавленный слой необходимо подвергать механической обработке, поэтому наплавка лишнего металла нецелесообразна. Припуск на обработку не должен превышать 1,5 ... 2 мм и после наплавки поверхность должна быть ровной, без значительных наплывов и провалов между валиками.

Для обеспечения такой поверхности необходимо наплавку выполнять на оптимальных режимах с применением соответствующих технологических приемов. Если при ручной на плавке это достигается манипуляциями электродом или горелкой, то при сварке под флюсом рекомендуются определенные соотношения между I_св и U_д (рисунок 7). При этом увеличение напряжения позволяет получать более широкие валики с плавными переходами у границы сплавления, хотя превышение напряжения выше оптимального создает трудности в обеспечении необходимого провара.

Рисунок 7. Напряжение дуги в зависимости от силы сварочного тока при наплавке под флюсом. Заштрихован оптимальный диапазон

Режимы наплавки определяются также размерами и формой наплавляемой детали. Так, при наплавке цилиндрических (и конических) деталей небольшого диаметра по винтовой линии (наиболее распространенная технология) приходится учитывать и возможность стекания ванны, усиливающуюся с увеличением ее длины, что ограничивает выбор режимов по силе тока и напряжению и увеличивающийся разогрев детали, что ограничивает выбор режимов по силе тока и напряжению и увеличивающийся разогрев детали, что повышает г₀ и изменяет состав наплавки.

Рекомендации по выбору этих параметров режима для автоматической наплавки под флюсом приведены на рисунке 8. При диаметрах наплавляемой поверхности более 500 ... 600 мм эти ограничения становятся несущественными. При диаметрах детали менее 50 мм даже при всех применяемых ограничениях режима (I_св = 100 A; d_э = 1,2 мм; U_д примерно 24 В; смещение электрода с зенита навстречу вращению) получить удовлетворительное формирование валиков практически не удается. При вибродуговой наплавке возможна наплавка деталей с диаметром и менее 50 мм.

Определенные технические трудности возникают при наплавке вблизи торца детали и в местах перехода от меньшего диаметра к большему. Для удержания расплавленных шлака и металла у торца иногда приходится прикреплять (приваривать) к нему диск-фланец большого диаметра, а в местах перехода к большому диаметру наплавлять валик, захватывающий проваром стенку этого перехода.

При наплавке плоских поверхностей небольшой ширины (например, торцов ножей ножниц блюмингов) приходится ограничивать стекание шлака и металла в процессе наплавки дополнительными устройствами, хотя иногда этого удается избежать подбором режима (уменьшением I_св и U_д и увеличением V_св).

Рисунок 8. Оптимальные диапазоны силы сварочного тока I (а) и скорости перемещения дуги V_д (б) при наплавке под флюсом тел вращения по винтовой линии в зависимости от диаметра наплавляемого изделия.

Детали со сложным профилем наплавляемой поверхности, как правило, требуют применения ручной дуговой наплавки, иногда полуавтоматической и реже автоматической при наличии дополнительных устройств или специальных манипуляторов, позволяющих по ходу выполнения наплавки поворачивать и наклонять изделие в положение, допускающее надежное выполнение наплавки на высоких режимах. Полуавтоматическую наплавку выполняют в углекислом газе. При этом допускается отклонение наплавляемой плоскости от нижнего положения в значительно большей степени, чем при автоматической наплавке под флюсом.

При плазменной наплавке с токоведущей наплавочной проволокой это достигается выбором расстояния от плазмотрона и плавящейся проволоки до наплавляемой поверхности, наклоном плазмотрона, выбором режима с крупнокапельным переносом металла в ванну. При необходимости поперечных колебаний плазмотрона и проволоки по отношению к наплавляемой поверхности амплитуду колебаний подбирают согласно режиму наплавки и теплоотводу наплавляемой детали.

При плазменной наплавке (а также аргонодуговой неплавящимся электродом) по наложенному на поверхность основного металла наплавочному кольцу (пластине и пр.) режим следует подбирать также с обеспечением прогрева основного металла за счет перегрева жидкого наплавляемого металла.

В связи с тем что в таких процессах наплавки стремятся избежать непосредственного воздействия высокотемпературного сварочного источника теплоты на наплавляемую поверхность, а соединение наплавляемого слоя с основным металлом осуществляется при минимальном подплавлении наплавляемой поверхности, к чистоте этой поверхности при подготовке к наплавке предъявляются весьма высокие требования. В целом наплавка требует тщательной отработки техники и режимов, различных для конкретных решаемых задач.

Сущность и техника особых способов наплавки

Кроме описанных выше основных способов наплавки, достаточно широко применяемых в промышленности, имеется ряд других, имеющих ограниченное применение. Это наплавка с разделенными процессами тепловой подготовки наплавляемого металла и наплавляемой детали, наплавка токами высокой частоты, вибродуговая, дуговая лежачим электродом, вакуумно-дуговая испаряющимся электродом, газотермическая наплавка и напыление с использованием гибких шнуровых материалов.

Наплавка токами высокой частоты осуществляется расплавлением наложенной на наплавляемую поверхность смеси флюса и порошка наплавочного сплава (например, зернистого сормайта) посредством подводимого индуктора, обеспечивающего выделение достаточной тепловой мощности. Сормайт нагревается до температуры его плавления (-1150 ⁰С). Толщина получаемого слоя более 0,4 мм. Производительность наплавки довольно высока.

Вибродуговую наплавку выполняют вибрирующим электродом диаметром 1,5 ... 2 мм, причем в результате его вибрации механическим путем или при помощи электромагнита с частотой до 30 ... 100 1/с и амплитудой 0,5 ... 1 мм дуга закорачивается на наплавляемое изделие и снова возбуждается. При каждом коротком замыкании часть наплавляемого электрода остается на поверхности. Толщина слоя получается небольшой. Так как в зону наплавки все время подаются охлаждающая жидкость (обычно водный раствор кальцинированной соды) или потоки воздуха, изделие прогревается и деформируется очень мало. Ускоренное охлаждение способствует повышению твердости наплавленного металла. Наиболее часто этот способ применяют при наплавке цилиндрических изделий небольшого диаметра (рисунок 10). Выполняют вибродуговую наплавку и под флюсом.

Дуговую наплавку лежачим электродом или пластиной осуществляют посредством зажигания дуги между наплавляемым изделием и пластиной, наложенной на него над прослойкой гранулированного флюса толщиной 3 ... 5 мм (рисунок 11,а). Дуга по мере оплавления пластины перемещается, вызывая ее расплавление и наплавление соответствующего количества металла на изделие. При надлежащей подготовке процесс происходит достаточно устойчиво. По аналогичной схеме возможна наплавка во внутренних полостях деталей по образующей (рисунок 11,б).

Рисунок 10. Вибродуговая наплавка:

1 - наплавляемое изделие;

2 - сопло для подачи охлаждающей изделие жидкости;

3 - сопло для подачи жидкости в зону сварки;

4 - электродная проволока;

5 - электродоподающие ролики;

6 - электромагнитный вибратор;

7 - пружина

Рисунок 11. Наплавка лежачим пластинчатым электродом:

а) схема наплавки лежачим пластинчатым электродом:

1 - подвод тока;

2 - медная плита;

3 - электрод;

4 - легирующая обмазка;

5 - флюс;

6 - изделие;

б) пример применения наплавки лежачим электродом для восстановления изношенной проушины трака:

1 - стержень;

2 - покрытие

Размещено на Allbest.ru