Материал: Ответы на вопросы
Опишите сущность технологии диффузионной сварки, ее преимущества, область применения. Ответ поясните схемой процесса.
Сварка с помощью диффузии
Явление диффузии — это процесс, при котором в результате тесного контакта между поверхностями молекулы и атомы разных веществ начинают смешиваться друг с другом.
Происходит взаимопроникновение мельчайших частиц вещества на молекулярном или атомарном уровне, при этом концентрация этих веществ в слое соединения автоматически выравнивается и становится равномерной. Благодаря этому процессу был разработан диффузионный вид сварки.
Описание метода
Диффузия характерна для любых веществ — газообразных, жидких, аморфных и твердых, но по отношению к трем первым это явление не имеет такого решающего значения для промышленности, как по отношению к твердым веществам.
При соблюдении определенных условий — выдержки по температуре, по давлению, при прохождении процесса в вакууме или в среде, заполненной благородным газом, способны смешиваться между собой даже атомы твердых веществ различной природы, в том числе такие разные, как металлы и неметаллы.
Процесс принудительной диффузии твердых материалов с целью получения прочного неразрывного соединения называется диффузионной сваркой.
Наиболее часто в промышленности применяется диффузионная сварка в вакууме, изобретенная в СССР в середине двадцатого столетия Н. Ф. Казаковым. Процесс происходит в сильно разреженной газовой среде, максимально приближенной к абсолютному вакууму — до 10 в минус пятой степени мм. рт. столба.
Вакуумирование необходимо для соединения металлов и неметаллов в различных сочетаниях, которое невозможно при обычной холодной сварке (к примеру, алюминиевых листов).
Кроме того, необходимым условием является строгая температурная выдержка — нагрев соединяемых деталей до 0,5-0,7 их температуры плавления.
Диффузионная сварка — изотермический процесс, протекающий при достаточно высокой температуре и не очень большом давлении — до 0,5 МПа. В зависимости от материала свариваемых деталей процесс соединения может длиться от пары минут до нескольких часов.
Область применения
Диффузная сварка — идеальное решение для соединений разнородных материалов в различных сочетания, например, стали и бронзы, стали и керамики и тому подобное.
Этот способ особенно эффективен, если надо добиться прочного монолитного соединения разнородных материалов без образования грубого сварного или паечного шва. Его применяют, если невозможно использовать стандартные средства крепежа, и в некоторых других случаях.
Кроме того, диффузионная сварка приходит на помощь, если необходимо сваривать очень тугоплавкие металлы, такие, как вольфрам и тантал. И этот же способ позволяет создавать элементы высокоточной электронной промышленности, различные датчики, полупроводниковые элементы.
В частности, диффузионная сварка применяется для создания:
гильз двигательных цилиндров (в основном для авиатехники);
тормозных колодок и тормозных дисков;
элементов турбокомпрессоров;
штампов сверхвысокой твердости;
металлокерамических изделий;
сложных композитов разных видов — из стекла и меди, металлов с графитом, кварцем и даже сапфиром;
соединений и труднообрабатываемых стальных и титановых сплавов повышенной жаростойкости;
создание полупроводниковых элементов.
Основная сфера применения диффузионной сварки — область высоких технологий — авиационной, космической, иных видов тяжелого машиностроения. Но в то же время именно этот метод позволяет создавать микроскопические детали из сферы сложной электроники.
Достоинства
Преимущества у диффузионной сварки следующие:
прецизионная точность обработки;
отсутствие явно выраженного шва, монолитность соединения;
возможность сваривать материалы, не соединяемые никаким другим способом (получение сложных композитов);
возможность создавать изделия сложной конструкции и конфигурации;
малый расход энергии;
отсутствие необходимости в применении дополнительных элементов, таких как присадки, электроды, припои и флюсы (в ряде операций есть исключение — в качестве прослойки используется тонкая золотая и серебряная фольга);
экологичность сварочного процесса — нет брызг расплава, вредных излучений и газовых выделений, отсутствует выброс ультрафиолета;
очень высокая прочность соединения;
удобство создания пустотелых конструкций, в том числе композитных;
экономичность — в одной операции можно соединить несколько разнородных материалов.
Все преимущества делают процесс незаменимым при определенных условиях и относят его к высокотехнологическому виду. Однако у этого метода есть и недостатки, притом достаточно существенные.
Недостатки
Главный из недостатков — сам аппарат для диффузионной сварки. Он представляет собой сложную установку, основные элементы которого — вакуумная камера с вакуумным насосом.
В конструкции сварочного аппарата для диффузионной сварки также присутствуют прессы, система охлаждения, нагревательные элементы и ряд вспомогательных механизмов, изготовленных из жаропрочных сплавов, так как сварка производится при высокой температуре.
Техническая сложность сварочной установки, ее большая масса и общая громоздкость подразумевают ее высокую базовую стоимость.
Это препятствует повсеместному распространению диффузионной сварки, делая ее рентабельной (в силу необходимости) в основном для сложных производств, таких, как изготовление полупроводников в электронике, а также некоторых принципиально важных деталей в авиационном и космическом машиностроении (и в некоторых других областях, где требуется аналогичное качество).
Наличие камеры налагает ограничения на размеры свариваемых деталей — это второй существенный недостаток.
Третьим минусом является необходимость очень тщательной очистки и полировки поверхностей перед диффузионным контактом, поскольку любая пленка загрязнения становится непреодолимым препятствием для диффузии.
Обратите внимание, что в некоторых особых случаях соединяемые поверхности, наоборот, целенаправленно окисляются. Слой окислов может способствовать более быстрому взаимопроникновению атомов. Такая технология используется при соединении стекла и керамики с применением металлического подслоя.
В России на разных производствах применяют различные по габаритам, мощностям и предназначению установки диффузионной сварки, такие, как П-114, П-115, УСДВ-630, ДСВ-901, МДВС-302 и другие.
Технология
Технологические методы диффузионной сварки могут существенно различаться между собой, так же, как различаются и соединяемые материалы. С принципиальной точки зрения при сварке в вакууме применяют те же приемы, что и в обычной диффузионной (холодной) сварке, например, алюминия — это соединение деталей внахлест, стык-в-стык и шовным методом.
Однако по причине разнородности химических и физических свойств материалов, которым надлежит превратиться в новое композитное вещество, используется множество дополнительных приемов, улучшающих и ускоряющих процесс диффузии — в каждом конкретном соединении свои.
В частности, часто используются прокладки из металлов с высокой склонностью к диффузии — золота, серебра, никеля, меди. В отдельных техпроцессах материал прокладки или подслоя требуется дополнительно подогревать, подвергать окислению или сульфидированию. Также в зависимости от физических свойств свариваемых материалов подбираются уникально температура и давление.
Дайте краткую характеристику процессов наплавки, используемых при восстановлении деталей машин при их ремонте.
Наплавкой восстанавливают размеры деталей и получают на их рабочих поверхностях износостойкие покрытия. Наплавка производится специальными электродами, а также электродами, применяемыми при сварке.
При восстановлении изношенных деталей электродуговой наплавкой выбор электродов зависит от марки стали наплавляемой детали, необходимой твердости покрытия и износостойкости наплавленного слоя. Наплавку изношенных поверхностей деталей, изготовленных из малоуглеродистой стали и не подвергавшихся термической или химико-термической обработке, можно проводить сварочными электродами ОММ-5 типа Э-42 и УОНИ-13/45П типа Э-42А. При восстановлении деталей из среднеуглеродистой, термически не обработанной или нормализованной стали применяют электроды УОНИ-13/55 типа Э-50А.
При наплавке деталей из среднеуглеродистых и легированных сталей (например, сталей марок 30, 35, 45, ЗОХ, 40Х), закаленных сталей, а также малоуглеродистой стали с цементированной поверхностью должны применяться специальные наплавочные электроды ОЗН-250, ОЗН-300, ОЗН-350, У-340. Металл, наплавленный этими электродами, имеет малую склонность к короблению и образованию трещин.
Кроме того, электроды ОЗН обеспечивают легкое отделение шлаков от наплавленного металла, хорошее формирование и высокую плотность шва, который легко обрабатывается режущими инструментами.
Цифры, стоящие после индекса ОЗН, указывают на среднюю твердость наплавленного слоя металла по Бринеллю. Наплавку этими электродами лучше всего производить постоянным током при обратной полярности. Диаметр электрода и величину тока при наплавке берут пониженными по сравнению со сваркой. Наплавку следует вести короткой дугой с перекрытием соседних валиков на 30…50%, причем электрод должен быть наклонен под углом 15…20° к вертикали по направлению движения. Наплавку рекомендуется проводить, сочетая перемещение электрода в направлении наплавки с поперечным колебанием его таким образом, чтобы ширина валика равнялась примерно 2,5 диаметра электрода. Толщина наплавленного слоя получается равной примерно 0,7 диаметра электрода.
Для наплавки деталей из высокомарганцовистой стали 13ГЛ применяются электроды ОМГ-Н для наплавки быстроизнашивающихся деталей, которые работают в условиях абразивного изнашивания, а также деталей, термическая обработка которых после наплавки невозможна,— электроды ЦС-1, ЦС-2. Наплавку деталей с последующей обработкой резанием и термической обработкой проводят электродами Т-590 и Т-620; наплавленный этими электродами слой имеет высокую твердость, но пониженную вязкость. Стержни наплавочных электродов изготовляются как из углеродистой, так и из легированной сварочной проволоки. Легирующие элементы вводят в наплавляемый слой как из материалов покрытия и стержня, так и только из материалов покрытия.
Стержень электродов Т-590 изготовлен из проволоки Св-08, а электродов Т-620 — из проволоки Св-08А. Покрытие электродов Т-590 легировано хромом и бором, а электродов Т-620, кроме того, титаном.
Электроды ЦС-1 и ЦС-2 изготовляют из сплавов сормайт № 1 и 2. Электроды ЦС-1 применяют для наплавки деталей, работающих при постоянной нагрузке, ЦС-2 —для деталей, работающих при ударной нагрузке. Поверхность, наплавленную электродами С-2, после отжига можно обрабатывать резцами и другими режущими инструментами, применяя режимы резания, близкие к режимам обработки высокохромистых сталей. Закаливают наплавленный слой в масле после нагрева до 850…900 °С.
В последние годы для получения наплавленных слоев высокой твердости применяют порошковые электроды— трубчатые стержни диаметром 2…8 мм из малоуглеродистой стали с наполнителем. В качестве наполнителя используют твердые сплавы, чаще всего сормайт, ферросплавы, карбид вольфрама. Выпускаются трубчатые наплавочные электроды ЭТН-1, ЭТН-2, ЭТН-3, ЭТН-4.
Как при электродуговой, так и при газовой наплавке твердые и износостойкие слои на стальных деталях можно получить наплавкой на них твердых сплавов (можно литых) в виде стержней и порошков, К литым относятся, например, сормайт № 1 и, стеллиты, В2К. и ВЗК, имеющие высокую твердость и износостойкость за счет большого содержания углерода, хрома, никеля, марганца и т.д. Эти сплавы могут наплавляться газовым пламенем, а также могут являться стержнями электродов (например, электроды ЦС-1 и ЦС-2).
К порошкообразным твердым сплавам относятся сталинит, бридная смесь, наплавочная смесь КБХ и др. Эти сплавы наносят на поверхность детали. Здесь же расплавляются и сплавляются с ней при помощи газового пламени или электрической дуги.
Наплавка металла вручную — очень трудоемкий процесс, качество наплавленного металла здесь невысоко и во многом зависит от квалификации сварщика; производительность низкая — не превышает 0,7…0,8 кг/ч.
В последние годы на ремонтных предприятиях для восстановления изношенных деталей применяются различные способы автоматической и полуавтоматической наплавки: наплавка под слоем флюса, вибродуговая наплавка, наплавка в среде защитных газов, электроконтактная наплавка и др.
Наиболее универсальным способом, получившим большое распространение в практике, является автоматическая наплавка под слоем флюса (рис. 1). Этот способ применяют главным образом для восстановления деталей больших габаритов и сечений, имеющих значительный износ; деталей ходовой части тракторов и экскаваторов, осей и валов большого диаметра, зубьев ковшей экскаваторов, ножей отвалов бульдозеров, щек камнедробилок, лопастей смесительных машин и т.д.
Рис. 1. Схема автоматической наплавки под слоем флюса 1 — бункер с флюсом; 2 — электродная проволока; 3 — электродвигатель; 4 — кассета с проволокой; 5 — падающий механизм; 6 — шлаковая корка; 7 — слой флюса; 8 — наконечник; 9 — протягивающие ролики подающего механизма; 10 — деталь
В данном случае электрическая дуга горит между концом электродной проволоки и деталью. Проволока подается в зону наплавки при помощи механизма подачи. Из бункера в зону горения дуги поступает флюс, где часть его плавится, образуя эластичную оболочку, которая защищает расплавленный металл от взаимодействия с кислородом и азотом воздуха. Неиспользованный флюс возвращается в бункер. Под давлением газов, выделяющихся при наплавке, эта оболочка оттесняется, образуя газовый пузырь, в котором и горит дуга.
После перемещения дуги расплавленный флюс затвердевает, превращаясь в шлаковую корку, которая затем отделяется легкими ударами. Шлак может быть повторно использован в смеси со свежим флюсом. Слой флюса в сыпучем состоянии покрывает зону горения дуги и создает давление на расплавленный металл, благодаря чему происходит хорошее формирование слоя наплавленного металла.
В состав оборудования для автоматической наплавки входят сварочная головка, источник питания, токарный или специальный станок и аппаратный ящик.
Наибольшее распространение получили сварочные головки: А-580М, типа АБС, АДС-1000-3, А-874 и др. Для полуавтоматической наплавки применяют шланговые полуавтоматы ПШ-5, ПШ-54, ПДШМ-500. В качестве источников питания используют сварочные преобразователи ПСО-500, ПСУ-500, сварочные трансформаторы типа ТСД-500 и ТСД-1000, сварочные выпрямители ВСС-400, ВКСМ-500, ВКСМ-100 и др. Наплавка на постоянном токе ведется на обратной полярности при напряжении 26…36 В, плотность тока значительно больше, чем при ручной сварке. Скорость наплавки, т.е. скорость перемещения электрода относительно детали или детали относительно электрода, бывает обычно в пределах 12…45 м/ч, а скорость подачи проволоки 80… 120 м/ч (допускается до 300 м/ч). Толщину наплавляемого слоя регулируют, изменяя диаметр и скорость подачи электрода или шаг наплавки. Обычно шаг наплавки принимается равным 3…12 мм, каждый валик должен перекрывать предыдущий на V3-V2 его ширины.
Для получения хорошего качества шва электрод должен быть смещен от зенита в сторону, противоположную направлению вращения детали, на 5…20 мм (в зависимости от диаметра детали, силы тока и т.п.).
В качестве электродного материала при наплавке под слоем флюса могут применяться наплавочные проволоки диаметром 1,6…3 мм — углеродистые и легированные, а также порошковые ленты, заполненные ферросплавами, твердыми сплавами и другими компонентами.
Флюсы, применяемые при наплавке, подразделяются по способу приготовления на два вида: плавленые и керамические.
Плавленые флюсы получают сплавлением компонентов. В своем составе они имеют в основном стабилизирующие, шлако- и газообразующие элементы, но не содержат легирующих элементов и, следовательно, не могут придать высокую твердость наплавленному слою. Наибольшее распространение получили флюсы АН-348А, ОСЦ-45 и АН-60, применяемые для наплавки углеродистыми и низкоуглеродистыми проволоками или лентами как’сплошными, так и порошковыми.