7. Технология наплавки слоев с различными свойствами

ГЛАВА IV. ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ И НАПЛАВКИ

Характеристика процесса

Наплавка занимает важное место в сварочном производстве при ремонте, восстановлении и изготовлении новых изделий.

Наплавка это процесс нанесения расплавленного металла на поверхность деталей с целью получения слоя с особыми свойствами или восстановления проектных форм и размеров изношенных деталей

Использование наплавки позволяет: сократить или полностью исключить расход дефицитных материалов, упростить технологию и уменьшить трудоемкость изготовления, повысить их надежность и долговечность. Наплавка как технологический процесс применяется для повышения износостойкости деталей металлургического, горнорудного, транспортного и другого оборудования (конусы засыпных устройств доменных печей, валки прокатных станов, ножи бульдозеров и грейдеров, детали штампов, крестовины рельс, режущий инструмент и др.).

Существуют различные методы наплавки: газовая, дуговые (90 %) – электродами, под флюсом, в защитных газах, в вакууме, самозащитными проволоками и лентами (7,5 %), сжатой дугой; электронолучевая, индукционная и электрошлаковая.

Для получения наплавленного слоя заданного химического состава существует несколько способов легирования:

- через проволоку, ленту, электродные стержни,

- через флюсы, покрытия электродов, шихту порошковых проволок,

- использованием паст, порошков, наносимых на поверхность деталей.

Материалы для наплавки

Практически не представляется возможным в данном пособии перечислить все материалы, применяемые для наплавки слоев с особыми свойствами, поэтому в основном рассматриваются материалы для износостойкой наплавки. Эти материалы должны обеспечивать: необходимый химсостав и достаточную твердость наплавленного слоя (HRC 40 ÷ 50), удовлетворительную обрабатываемость режущим инструментом.

Основой таких материалов, обеспечивающей необходимую вязкость и пластичность являются, как правило, железо и кобальт. Придание специальных свойств наплавленному металлу достигается за счет легирования основы углеродом в сочетании с карбидообразующими элементами (Cr, W, Mn, B, Ni, Zr и др.). Различные материалы для наплавки можно объединить в следующие группы:

А - порошкообразные и гранулированные смеси и порошки,

Б - твердые литые сплавы,

В - электроды покрытые, наплавочные ленты и проволоки,

Г - металлокерамические материалы.

К группе А относятся вокар (9 ÷ 10 % С, 85 ÷ 87 % W, 3 % Si, остальное Fe), дающий твердость HRC 60 ÷ 80, боридная смесь (0,12 % C, 35 % Сr, 7,6 % B, 57,5 % Fe) – HRC 80, смесь БХ (50 % борида хрома, 50 % Fe). В виду несовершенства метода легирования, малой производительности наплавки, а также в связи с развитием механизированных способов наплавки, применение наплавочных смесей уменьшается.

В качестве присадочного материала при плазменной и индукционной наплавке используют гранулированные порошки с размером частиц 40 ÷ 100 мкм., например, ПН-АН30 (1 % С, 30 % Сr, 5 % W, 2 % Ni, остальное Fe) с твердостью HRC 50 или ПН-20 (2 % С, 30 % Сr, 15 % W, 2 % Ni, остальное Со) с твердостью HRC 55.

Структура наплавленных этими материалами слоев представляет собой твердый раствор карбидов хрома, вольфрама и др. в железе или кобальте. Порошкообразные материалы применяются для наплавки деталей, работающих в условиях грубого абразивного износа (зубья ковшов эскалаторов, детали насосов и т.д.).

К группе Б относятся стеллиты (1,0 ÷ 1,5 % С, 28 ÷ 32 %Cr, 4 ÷ 5 % W, 58 ÷ 62 % Co) c твердостью HRC 42 ÷ 45 и стеллитоподобные сплавы (сормайт – 2,5 ÷ 3,3 % С, 25 ÷ 31 % Cr, 1,5 % Mn, 49 ÷ 54 % Fe) c твердостью HRC 49 ÷ 54. Стеллиты выпускаются в виде литых стержней диаметром 6 ÷ 8 мм и длиной 300 ÷ 400 мм и применяются для деталей, работающих в условиях сухого и жидкостного трения в холодном и горячем состоянии (штампы, клапаны, ножи и т.д.).

К группе В относятся электроды для наплавочных работ по ГОСТ10051 (Э-10Г3, Э-15Г5, Э-80Х4С. Э-100Х12М и др.), наплавочные проволоки по ГОСТ 10543 (Нп-50, Нп-85, Нп-30Х5, Нп-30Х10Г10Т и др.), порошковые проволоки (ПП-АН105, ПП-АН120, ПП-АН170 – самозашитные) и ленты (ПЛ-АН101, ПЛ-АН102).

К группе Г относятся металлокерамические ленты и керамические флюсы. Ленты изготавливают холодной прокаткой порошков с последующим спеканием в печи в среде Н₂; размер частиц 70 ÷ 200 мкм, толщина 0,8 ÷ 1,2 мм, ширина 25 ÷ 100 мм. Производительность наплавки на 25 ÷ 30 % больше по сравнению с металлической лентой за счет высокого электрического сопротивления. Марки лент: ЛМ-70Х3МН, ЛМ-5Х4В3ФС, ЛМ-002Х21Н9Г.

Керамические флюсы позволяют при использовании стандартных проволок получать легированный металл повышенной износостойкости. Марки флюсов: ЖС-400 (0,3 % C, 5 % FeCr, 8 % FeNi, 3 % FeMn, 53 % CaCO₃, 21 % CaF₂), АНК-18 (0,4 % С, 1,5 % Мn, 5 % Cr).

Особенности технологии и техники наплавки

Основными трудностями в получении качественного наплавленного слоя являются: устранение трещин и пор, сохранение требуемого химсостава наплавки и борьба с деформациями. Трещины, образующие при наплавке разделяются на два типа, кристаллизационные и закалочные.

Образованию горячих трещин способствует совместное присутствие углерода и карбидообразующихся элементов. Основными мерами борьбы являются предварительный подогрев (уменьшает растягивающие усилия), снижение количества эвтектики за счет наплавочных материалов, уменьшение доли основного металла в шве.

Предупреждение холодных трещин достигается посредством уменьшения скорости охлаждения.

Основной причиной пор является выделение водорода и окиси углерода при кристаллизации слоя. Для предупреждения пор необходима прокалка материалов, тщательная подготовка поверхности изделия, сварка на постоянном токе.

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 весьма 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 без перекрытия (m/b ® - 1), доля основного металла составляет » 0,65, а при перекрытии по ширине m/b = 0,46, эта доля уменьшается до » 0,45, рис. 39, а,б.

В связи с этим такой метод перекрытия весьма распространен при наплавке.

Рис. 39. Влияние шага наплавки на долю основного металла в наплавленном слое

При ручной наплавке m/b » 0,35, при автоматической под флюсом проволоками сплошного сечения m/b = 0,4 ÷ 0,5. Увеличение m/b может привести к неблагоприятной форме усиления валика и непровару места перехода от предыдущего валика к последующему.

В связи с тем, что в большом числе случаев наплавленный слой необходимо подвергать механической обработке, наплавка лишнего металла нецелесообразна. Следует стремиться к тому, чтобы припуск на обработку не превышал 1,5 ÷ 2,0 мм и после наплавки поверхность была бы достаточно 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 наплавке это достигается манипуляциями электродом или горелкой, то при сварке под флюсом рекомендуются определенные соотношения между Iсв и Uд. При этом увеличение напряжения позволяет получать более широкие валики с плавными переходами у границы сплавления.

Способы наплавки

Наплавка порошкообразных материалов выполняется дугой с угольным или металлическим электродами. При обоих видах наплавки необходима тщательная подготовка поверхности (обезжиривание, зачистка) с насыпкой слоя прокаленной буры (до 0,5 мм), поверх которой насыпается порошкообразная смесь высотой до 2 ÷ 8 мм с последующим уплотнением специальными гладилками. Расплавление смеси производится дугой постоянного или переменного тока. За один проход наплавляется слой не более 1,5 мм, а общая высота слоя во избежания трещин и отслаивания не должна превышать 4 ÷ 6 мм.

Наплавка электродами типа Э38, Э42 приводит к снижению твердости наплавленного слоя по сравнению с угольным, но обеспечивает лучшее формирование слоев и уменьшает вероятность образования трещин.

Наплавка гранулированных порошков производится сжатой дугой и индукционным способом.

Для наплавки стеллитов и сормайтов применяется аргон в сочетании с вольфрамовыми электродами (ВЛ-10, ВИ-1) или вакуумно-дуговая наплавка.

Наплавочные электроды могут обеспечивать требуемую износостойкость как после соответствующей термообработки, так и без нее. К первым относятся электроды марок Т-540, ЦН-4, ЦН-1 (уплотнительные поверхности), ЦИ-1М, ЦИ-1У, ЦИ-1Л (для инструмента), ЦШ-1, ЦШ-2 (для штампов), обеспечивающие твердость HRC 35 ÷ 40. Ко вторым – электроды марок Т-590, Т-620 для наплавки зубьев ковша экскаватора, бил мельниц, щек камнедробилок, обеспечивающих твердость HRC 56 ÷ 62.

Наплавочные проволоки и ленты могут быть использованы при наплавки в защитных средах (Ar, CO₂) в зависимости от степени их легирования или с использованием флюсов.

При электрошлаковой наплавки формирование наплавленного слоя осуществляется при помощи специальных ползунов. Легирование наплавленного слоя выполняется за счет электродного металла.

Газовую наплавку ведут левым способом в нижнем положении с избытком ацетилена при мощности пламени Vа = (120 ÷ 150)×Sм, л/ч.

Далее: 8. Новые технологии