Материал: Ответы на вопросы

Керамические флюсы, кроме компонентов плавленых флюсов, содержат легирующие добавки, обычно в виде ферросплавов (феррохром, ферромарганец и др.) для получения наплавленного слоя с наружными свойствами. Наплавку под слоем керамического флюса ведут низкоуглеродистыми проволоками без последующей термообработки наплавленного слоя. В настоящее время широкое применение нашли флюсы АНК-18 и АНК-19, в состав которых входят хром и марганец. При отсутствии нужных керамических флюсов можно изготовить собственными силами заменяющие их смеси, например, добавляя, плавленый флюс АН-348А, чугунную стружку либо серебристый графит (4…6%) или ферросплавы (например,-феррохром 2%).

Наплавленный слой нужного химического состава и с заданными свойствами (твердость, износостойкость) можно также получить, применяя электродную проволоку (ленту) соответствующей марки с последующей термообработкой наплавленного слоя или ведя наплавку порошковой проволокой (лентой) с необходимым на-наполнением без последующей термообработки наплавленного слоя.

Как способ восстановления деталей наплавка под слоем флюса имеет ряд достоинств: высокую производительность и стабильность; хорошее качество наплавленного слоя (однородность, плотность, равномерность); хорошее сплавление слоя с основным металлом; возможность получения слоев значительной толщины (6…8 мм и более); большие возможности получения наплавленного слоя с заданньш химическим составом и свойствами.

Вместе с тем наплавка под слоем флюса имеет ряд недостатков: быстрый и глубокий нагрев ведет к изменению физико-механических свойств и к деформации деталей, особенно деталей малого сечения; трудность удержания флюса и ванны расплавленного металла на поверхности деталей малого диаметра (менее 50… 60 мм); невозможность получения слоя малой толщины (менее 1,5…2 мин).

К другому способу автоматической наплавки, широко применяющемуся при восстановлении деталей типа валов, относится наплавка вибрирующим электродом, получившая название вибродуговой наплавки. Вибродуговая наплавка отличается от наплавки под слоем флюса тем, что при этом способе конец электрода совершает колебательные движения в плоскости, перпендикулярной к наплавляемой поверхности, а также тем, что наплавленный слой охлаждается (рис. 2).

Рис. 2. Схема установки для вибродуговой наплавки 1 — подающий механизм; 2 — электродная проволока; 3 — насос охлаждающей жидкости; 4 — вибратор; 5 — мундштук; 5 —наплавляемая деталь

Наплавочная головка устанавливается на суппорт токарного станка и перемещается с ним вдоль детали, а наплавляемая деталь устанавливается в центре станка и приводится во вращение.

Стальная электродная проволока диаметром 1,6… 2,2 мм (иногда применяют проволоку диаметром 1,2… 3 мм), изготовленная из углеродистой или легированной стали, с помощью подающего механизма вводится в соприкосновение с поверхностью наплавляемой детали. Головка для вибродуговой наплавки, кроме обычного механизма подачи проволоки, имеет вибратор, сообщающий колебательное движение наконечнику мундштука. В таком вибраторе установлен электромагнит, через обмотки которого пропускается переменный ток, вследствие чего пластина (якорь), связанная с наконечником головки, то притягивается к электромагниту, то отходит от него; таким образом, наконечник с электродной проволокой получает колебательное движение. Частота колебаний равна частоте перемены направления тока (100 раз в 1 с), а амплитуда составляет 1,5…2,5 мм.

Установка для вибродуговой наплавки имеет резервуар для охлаждающей жидкости (обычно 3…5 %-й раствор кальцинированной соды в воде) и насос для ее подачи. Небольшое количество жидкости подается непосредственно в зону горения дуги, одновременно охлаждая мундштук наконечника, остальная часть жидкости направляется на наплавленный слой на некотором удалении от зоны горения.

Наплавка ведется обычно на постоянном токе обратной полярности при напряжении 16…24 В. Благодаря создаваемому вибратором колебательному движению конец электрода то приближается к детали и касается ее, то отходит от нее. При касании наступает период короткого замыкания. При этом напряжение в цепи падает почти до нуля, а ток значительно возрастает. Конец электрода разогревается. При отходе электрода от детали величина тока снижается, напряжение между электродом и деталью повышается до 28…30 В и возникает дуговой разряд. Во время разряда на детали создается сварочная ванна, электрод плавится и капли расплавленного металла переносятся на деталь.

Наплавленный валик интенсивно охлаждается благодаря теплоотводу в деталь и охлаждающую жидкость, одновременно закаляясь. Последующий валик наплавленного металла, частично расплавляя предыдущий, создает зону отжига. Интенсивное охлаждение приводит к возникновению напряженного состояния самого слоя и развитию трещин в наплавленном металле — все это снижает усталостную прочность деталей.

На ремонтных предприятиях наибольшее распространение получили головки для вибродуговой наплавки ОКС-1252 и ОКС-6569 с механическим вибратором, где колебательное движение наконечника головки создается кулачковым или эксцентриковым приводом. В последнее время начинают широко использовать вибродуговые головки ГВНД-72 для двухэлектродной наплавки. Двухэлектродная наплавка на 60…80 % производительнее одноэлектроднш и позволяет получить наплавленный слой более высокого качества.

Рис. 3. Схема наплавки пла- а вящимся (а) и неплавящимся (б) электродами в среде защитных газов 1— газовое сопло; 2 — плавящийся электрод; 3 —дуга; 4 — защитный газ; 5 — деталь; 6 — присадочный пруток; 7 — неплавящийся электрод

Восстановление изношенных деталей вибродуговой наплавки имеет ряд преимуществ перед другими способами восстановления. Низкое напряжение, при котором идет процесс, и его прерывистый характер позволяют вести наплавку при малой глубине прогрева детали, практически без ее деформации. Этому же способствует интенсивное охлаждение. Совмещается процесс наплавки и закалки слоя, поэтому можно получать слой малой толщины 0,5…2,5 мм. Все это делает данный способ особенно удобным при восстановлении деталей малого диаметра. Однако появление внутренних напряжений в наплавленном слое и возможность образования микротрещин приводят к снижению усталостной прочности детали, что ограничивает область применения вибродуговой наплавки для деталей, работающих в условиях больших, знакопеременных и ударных нагрузок. Для повышения качества наплавленного слоя применяют статическое упрочнение его в горячем состоянии.

При наплавке токами высокой частоты присадочный материал и поверхностный слой основного металла сплавляются за счет индуцирования в поверхностном слое вихревых токов. Присадочный материал предварительно наносят на поверхность детали в виде порошка, пасты или прессованных брикетов. Необходимая твердость наплавленного слоя достигается соответствующим подбором химического состава присадочного материала.

Наплавку в среде защитных газов можно производить как плавящимся (рис. 3,а), так и неплавящимся (рис. 3,6) электродом. В последнем случае дуга горит между деталью и электродом (обычно вольфрамовым), а присадочный материал вводится в зону дуги отдельно. В зону горения дуги под небольшим давлением подается газ, который вытесняет воздух из этой зоны и защищает расплавленный металл от окисления. Неплавящиеся электроды широко применяются при наплавке деталей из алюминия и его сплавов.

В качестве защитных газов применяют аргон, гелий, азот, углекислый газ, а также смеси газов. Наплавка в среде защитных газов имеет ряд достоинств: ее производительность не уступает производительности при сварке или наплавке под слоем флюса: наплавку можно вести в любом пространственном положении; отсутствие шлаковой корки упрощает ведение процесса; наплавка ведется при малом нагреве детали, поэтому можно наплавлять тонкостенные детали и малого сечения; можно получать наплавленные слои небольшой толщины. К недостаткам этого вида наплавки следует отнести ограниченную возможность получения твердых и износостойких наплавленных слоев.

Для восстановления изношенных деталей применяется также плазменная наплавка. Плазмой называют высокотемпературный сильно ионизированный газ, т. е. газ, содержащий большое количество заряженных частиц. Плазма создается пропусканием газа через дуговой разряд в узком канале, диаметр которого равен примерно диаметру столба дуги. Проходя через струю дугового разряда, газ сильно ионизируется, образуя плазменную струю с высокой концентрацией энергии. Плазменную струю получают в устройстве, которое называют плазменной горелкой. В плазменной горелке к отрицательному полюсу источника постоянного тока подключается неплавящийся вольфрамовый электрод (катод), а к положительному — кольцевой, охлаждаемый водой полый электрод-сопло (анод), изготавливаемый обычно из меди или из ее сплавов, либо деталь. Струя плазмо-образующего газа пропускается через кольцевой зазор между электродами. Температура плазменной струи весьма высокая — до 18 000°С и выше. В качестве плаз-мообразующих газов применяю! аргон, гелий, азот, водород и др. (чаще всего аргон).

В качестве присадочных материалов при плазменной наплавке применяют проволоку, прутки и металлические порошки. Присадочные порошки могут вдуваться в дугу, подаваться отдельно либо заранее наноситься на наплавляемую поверхность. Преимуществами плазменной наплавки являются хорошее сцепление наплавленного слоя с основным металлом, малые припуски на последующую обработку, хорошее качество наплавленного слоя.

К недостаткам следует отнести относительно высокую стоимость оборудования, потребность в плазмобб-разующем газе, низкую производительность и большое термическое влияние на деталь.

В последнее время для наплавки применяют электроконтакты, при которых присадочный металл расплавляется только частично в месте соприкосновения с поверхностью детали.

При электроконтактной наплавке ток большой силы (400…1200 А и более) от сварочного трансформатора подается на деталь и на присадочную проволоку (ленту) через наплавляющий прижимной ролик. Благодаря наличию специального прерывающего устройства ток подается кратковременными импульсами, которые вызывают разогрев присадочной проволоки и детали в месте контакта, распределение их тончайших поверхностных слоев и сваривание. Этому способствует также и ролик, который, прижимая проволоку к детали, пластически деформирует ее и формирует валик. Так как прижимной ролик перемещается вдоль детали, то присадочная проволока приваривается последовательно ко всей наращиваемой поверхности детали.

Производительность при электроконтактной наплавке весьма высокая 100… 150 см2/мин. Толщина наращиваемого слоя до 1,5 мм. Сварка проходит при незначительной глубине проплавления и теплового Воздействия на деталь (не более 0,3 мм) —в этом состоит основное преимущество данного способа. К недостаткам относятся ограниченность толщины наплавляемого слоя и сложность установки, в результате чего данный способ применяется только на специализированных предприятиях.

Электроконтактное напекание металлических порошков применяется в основном для восстановления деталей, имеющих цилиндрическую форму. Напряжение от понижающего трансформатора подается на деталь, вращающуюся в центрах или патроне станка, и на прижимной ролик. В зазор между роликом и деталью подается металлический порошок, например железный порошок ПЖ-3, ПЖ-5. Сразу после начала подачи порошка ролик с помощью пневмоцилиндра прижимается к детали с усилием 0,76… 1,2 кН на 1 см ширины ролиленные поверхности соединяемых деталей, равномерно распределяя по шву. По Окончании пайки шов зачищают от наплывов припоя и промывают водой для удаления остатков флюса.

Пайку тугоплавкими припоями производят в тех случаях, когда соединение должно хорошо сопротивляться ударным и знакопеременным нагрузкам и действию высоких температур. При такой пайке применяют медноцинковые и серебряные припои с температурой плавления выше 500 °С. Последние используются в ремонтной практике редко из-за их высокой стоимости.

Поверхности, соединяемые пайкой, подгоняют друг к другу, зачищают от загрязнений и оксидов, а кромки разделывают так же, как под сварку. На эти кромки наносится флюс и укладывается припой (в виде проволоки, пластинки). Для медно-цинковых припоев в качестве флюса применяют прокаленную буру или смешанные в равных долях буру и борную кислоту.

Детали, подготовленные к пайке, нагревают пламенем газовой горелки или в печах до расплавления припоя, а затем медленно охлаждают и очищают от флюса и наплывов припоя.

—

Из всех способов восстановления деталей наиболее широкое применение находят механизированные способы наплавки и сварки.

Главные преимущества наплавки — получение на рабочей поверхности практически любого химического состава и размеров наплавленного слоя с заданными свойствами для конкретного вида изнашивания; возможность многократного восстановления, что значительно сокращает расход металла; достижение существенного сближения сроков службы неодинаковых по темпу изнашивания деталей в узле путем резкого увеличения долговечности наименее износостойких деталей; относительно высокая производительность механизированных способов наплавки и широкие возможности их автоматизации и др.

К основным недостаткам технологии восстановления деталей наплавками следует отнести: глубокое термическое влияние, пятнистую твердость и нарушение структуры поверхностного слоя детали; деформирование (коробление) изделий, снижение усталостной прочности (до 50 % и ниже); низкий процент использования наплавленного металла (в зависимости от износа детали 5…15%); высокую трудоемкость процесса восстановления.

В процессе наплавки на поверхность детали для восстановления размеров и повышения износостойкости наносится расплавленный металл.

Цель расплавления, обработки и кристаллизации металла при сварке (наплавке) — получение металлопокрытия высокого качества, имеющего надежное сплавление с основным металлом, необходимый состав и структуру, обеспечивающие требуемые свойства (твердость, износостойкость и усталостную прочность). С этой целью проводят легирование металла шва различными элементами. В ряде случаев целесообразно получение металла шва в виде сплава на никелевой основе.

Восстановленные, например, сплавом XI3H4 детали (била молотковых мельниц, зубья ковшей экскаваторов и др.) хорошо работают при сочетании абразивного износа с ударными нагрузками.

Сплав У30Х28Н4С4 (сормайт № 1) также обладает повышенной вязкостью и используется для наплавок плужных лемехов, ножей бульдозеров, челюстей грейферов и др., т. е. для деталей, работающих на абразивный износ при нормальных и повышенных температурах и умеренных ударах.

В условиях работы при высоких температурах металл должен обладать высокой твердостью. Эти свойства в железных сплавах достигаются их легированием хромом, ванадием, молибденом и вольфрамом (например, ЗХ2В8, Р18, Р9). В качестве наплавочных материалов иногда применяют твердые сплавы (карбиды вольфрама и сплавы с боридами хрома) с высокой температурой плавления и твердостью, составляющие которых создают довольно высокую стойкость против абразивного износа.

Состав наплавленного металла по химическому составу и строению, как правило, отличается от состава металла электродной проволоки и детали. Металлы же разного химического состава и структуры обладают и разными физико-механическими свойствами.

Эффективным средством направленного регулирования химического состава, а следовательно, и свойств металлов швов является соответствующий выбор сварочных материалов. При этом нужно стремиться к максимальному снижению в составе наплавки доли основного металла (за счет многослойной наплавки, путем замены проволоки металлической лентой), одновременно обеспечивая надежную связь наплавленного металла с основным.

Основные физико-химические процессы, происходящие при наплавке. В процессе наплавки расплавленный металл, взаимодействуя с окружающей средой (газами, шлаками и пр.), получает те или иные изменения, связанные с испарением некоторых его составляющих при высоких температурах, образованием различных химических соединений, не растворимых в металле. Эти изменения характерны как для расплавляемого основного металла, находящегося в сварочной ванне, так и для поступающего в ванну добавочного металла. Как известно, последний при различных способах восстановления (например, дуговая наплавка плавящимся электродом, электрошлаковая наплавка) нагревается до более высоких температур, чем в ванне, и имеет большую контактирующую со средой удельную поверхность (отношение поверхности к объему). Поэтому все процессы взаимодействия с окружающей средой, происходящие через поверхность и интенсифицированные более высокой температурой, приводят к большему изменению состава добавочного металла, чем расплавляемого основного. Этот измененный в процессе сварки добавочный металл называется наплавленным металлом.

При наплавке (сварке) жидкий металл, взаимодействуя с расплавленным шлаком, водяными парами и окружающим воздухом, окисляется и насыщается азотом, водородом и другими элементами. Кислород, образуя окислы (закись железа FeO, окись железа Fe203 и др.), соединяется с марганцем, кремнием, углеродом и другими элементами, что способствует их выгоранию. Азот воздуха с жидким железом образует нитриды (Fe2N, Fe4N).

Окисление металла в условиях сварки — наплавки снижает механические свойства металлопокрытий и требует применения осаждающего и диффузионного раскисления.

При осаждающем раскислении окислы, растворенные в жидком металле введением раскислителя, переводятся в нерастворимые с последующим выделением в виде частиц отдельной фазы, удаляемых в той или иной степени за счет всплывания или выталкивания фронтом кристаллизующегося металла ванны.

При диффузионном раскислении растворимые окислы всплывают на поверхность жидкого металла в виде шлака.

Повышенное количество кислорода и азота в наплавленном металле придает ему повышенную твердость и хрупкость, что способствует образованию трещин. Пластичность и вязкость такого металла весьма низки. При чрезмерном насыщении жидкого металла азотом в шве образуются поры.

Водород в сварочной дуге под действием высоких температур из молекулярного состояния переходит в атомарное и легко растворяется в жидком металле.

Для большинства металлов при газовой или дуговой сварке обычных металлов на железной и других основах наблюдается увеличение в жидком металле концентрации водорода.

Растворенный водород по мере снижения температуры стремится выделиться из раствора и выйти наружу. Он скапливается в охлажденном основном металле в отдельных полостях внутри него, а в металлопокрытии водород диффундирует в сторону поверхности наплавленного металла и околошовных зон, скапливаясь в различных неплотностях (вакансиях, дислокациях, макропустотах), приводя тем самым к повышению хрупкости, возникновению дополнительных внутренних напряжений и пор и появлению микротрещин в восстанавливаемом изделии. Поэтому на практике весьма важным является максимальное удаление из металла наплавки водорода, кислорода и азота.

Уменьшить наводораживание металла в процессе его наплавки можно путем применения предварительного нагрева детали, а также последующей нормализацией, а содержание кислорода и азота — за счет надежной защиты сварочной ванны и зоны горения дуги применением соответствующего состава сварочных материалов, газовой среды (защитных газов, вакуума), шлаков и шлаковых расплавов (флюсы), активно взаимодействующих с окружающей материальной средой.

Химический состав наплавленного металла во многом зависит от способа и режимов наплавок и определяется в основном содержанием легирующих элементов в электродном материале и флюсе. Средние части объема металла каждого отдельного валика однопроходного шва по химическому составу получаются достаточно равномерными даже в тех случаях, когда расплавленные основной и наплавляемый металлы имеют весьма различные составы. Однако вблизи границы сплавления, где образуется граничный слой в двухфазном твердо-жидком состоянии, не происходит полное перемешивание расплавленного основного металла и наплавленного. В связи с этим в некоторой зоне (обычно в пределах около 5 % глубины и полуширины ванны) вследствие недостаточного перемешивания состав металла оказывается отличным от металла в средних частях ванны, а по легирующим — промежуточным между центральными объемами ванны и основным металлом. Чем больше различие составов основного металла и металла шва, тем более неравномерным будет в этой переходной зоне и состав металла шва вблизи границы плавления.

Механические свойства всего наплавленного (сварного) соединения в целом — прочность, деформационная способность, энергоемкость, место и характер разрушения — находятся в непосредственной связи с характером и степенью механической неоднородности металла различных зон и участков такого соединения.

Как известно, при наплавке (сварке) в результате действия источника тепла образуется ванна расплавленного металла, которая после затвердения (кристаллизации) образует металлическую связь с нерасплавленными зонами восстанавливаемых деталей. При этом металл наплавки имеет либо литую структуру (при однослойной наплавке — сварке), либо структуру литого металла, подвергшегося в отдельных зонах дополнительной термической обработке при последующих нагревах (при многопроходной наплавке). Такая структура приводит к пониженному комплексу механических свойств.

Если на участках изделия, подвергшегося восстановлению наплавкой, температура превышала критическую, металл этой зоны имеет неоднородную структуру, а следовательно, и различные с основным металлом свойства. Поэтому в некоторых случаях общая работоспособность детали определяется свойствами определенного участка зоны термического влияния *, что должно учитываться на практике.

За зоной термического влияния располагается не измененный по структуре основной металл детали, свойства которого при восстановлении (в случае, если деталь при изготовлении не подвергалась химико-термической и другой поверхностной обработке) следует принимать за эталон. Получение свойств металла наплавки, аналогичных эталону, гарантирует надежность восстанавливаемым изделиям. В ряде случаев выбор химического состава шва может привести к значительному повышению свойств по сравнению с основным металлом, что обеспечивает восстановленным деталям большую работоспособность.

Одним из наиболее эффективных средств улучшения механических характеристик металлопокрытий является оптимальный подбор химического состава металла шва, обеспечивающего, как показывает практика, относительное выравнивание его свойств со свойствами основного металла, обычно улучшаемого путем использования (при конкретном способе восстановления) правильно подобранных сварочных материалов (присадочной или электродной проволоки, плавящихся электродов и пр.), а также за счет введения в сварочную ванну легирующих добавок (через флюс, электродные покрытия и др.) и последующей обработки, активно воздействующих на прочность изделий.