Восстановление деталей наплавкой металла

Наплавкой называется процесс нанесения одного расплавленного металла (называемого присадочным) на поверхность другого (называемого основным). При этом основной металл также расплавляется на небольшую глубину для образования гомогенного соединения. Цель наплавки может быть различной: восстановление утраченной геометрии детали или придание ей новой формы, образование поверхностного слоя с заданными физико-механическими свойствами (такими как повышенная твердость, износостойкость, антифрикционность, коррозионная стойкость, жаростойкость и пр.), упрочнение наплавкой.

Наплавку можно производить на любые поверхности — плоские, конические, цилиндрические, сферические. В больших пределах может меняться и ее толщина — от нескольких долей миллиметра до сантиметра и более.

Основные принципы наплавки

• Необходимо стремиться к минимальному проплавлению основного металла. Это достигается путем наклона электрода в сторону, обратную ходу наплавки.
• Должно быть как можно меньшее перемешивание наплавленного металла с основным.
• Нужно стараться достичь минимальных остаточных напряжений и деформаций в детали. Это требование во многом обеспечивается соблюдением двух предшествующих.
• Необходимо снижать до приемлемых значений припуски на последующую обработку детали. Говоря другими словами, нужно наплавлять металла ровно столько, сколько необходимо, и не больше.

Применяются различные способы наплавки металла — электродуговая, газовая, электрошлаковая, индукционная, плазменная, импульсно-дуговая, вибродуговая, порошковая наплавки. Наибольшее распространение получила дуговая наплавка.

Материалы для наплавки существуют в различных формах. Это могут быть присадочные прутки, порошкообразные смеси, наплавочные покрытые электроды, порошковая и цельностержневая проволока. В электродуговой наплавке применяются в основном покрытые электроды, присадочные прутки и проволока.

Наплавка покрытыми электродами

Наплавка требует определенных навыков в работе. Надо при минимальном токе и напряжении, чтобы не увеличивать долю основного металла в наплавленном, оплавить оба компонента. Состав металла будет определять тип электрода, а толщину и форму — диаметр электрода. Напряжение дуги определяет форму наплавленного валика, при его повышении увеличивается ширина и уменьшается высота валика, возрастает длина дуги и окисляемость легирующих примесей, особенно углерода. В связи с этим стремятся к минимальному напряжению, которое должно согласовываться с током дуги.

Наплавка деталей из стали осуществляется, как правило, постоянным током обратной полярности (на электроде «плюс») в нижнем положении.

Детали из низкоуглеродистых и низколегированных сталей наплавляют обычно без предварительно нагрева. Но нередко требуется предварительный подогрев и последующая термообработка с целью снятия внутренних напряжений. Более детальные требования к наплавке сообщаются в документации на применяемые наплавочные электроды. Например, для электрода ОЗИ-3 приводятся следующие технологические особенности: «Наплавку производят в один-четыре слоя с предварительным подогревом до температуры 300-600°С. После наплавки рекомендуется медленное охлаждение. Возможна наплавка ванным способом на повышенных режимах. Прокалка перед наплавкой: 350°С, 1 ч.»

Поверхность детали перед наплавкой очищается от масла, ржавчины и других загрязнений.

Применяются различные схемы расположения наплавочных швов. В случае плоских поверхностей различают два основных вида наплавки — использование узких валиков с перекрытием друг друга на 0,3-0,4 их ширины, и широких, полученных увеличенными поперечными движениями электрода относительно направления прохода.

Другой способ — укладка узких валиков на некотором расстоянии один от другого. При этом шлак удаляют после наложения нескольких валиков. После этого валики наплавляются и в промежутках.

Во избежание коробления деталей, наплавление рекомендуется проводить отдельными участками, «вразброс», а укладку каждого последующего валика начинать с противоположной стороны по отношению к предыдущему.

Наплавка цилиндрической поверхности выполняется тремя способами — валиками вдоль образующей цилиндра, валиками по замкнутым окружностям и по винтовой линии. Последний вариант (по винтовой линии) является особенно удобным в случае механизированной наплавки, при которой детали в процессе наплавки придается равномерное вращение.

Для восстановления и повышения срока службы режущего, штампового и измерительного инструмента, а также деталей механизмов, работающих при интенсивном износе, применяется наплавка рабочих поверхностей твердыми сплавами, представляющими собой соединения таких металлов, как титан, вольфрам, тантал, марганец, хром и других с бором, углеродом, кобальтом, железом, никелем и пр.

При изготовлении новых инструментов и деталей с твердосплавной наплавкой, в качестве заготовок (оснований) применяются детали из углеродистых или легированных сталей. В случае ремонта деталей с большим износом, перед наплавкой твердыми сплавами делают предварительную наплавку электродами из малоуглеродистой стали.

Для получения более качественной наплавки, предупреждения образования трещин и снижения напряжений, во многих случаях целесообразен подогрев заготовок до температуры 300°C и выше.

Наплавка металлорежущего инструмента и штампов. Металлорежущие инструменты и штампы, работающие при холодной и горячей штамповке, наплавляют электродами ОЗИ-3, ОЗИ-5, ОЗИ-6, ЦС-1, ЦИ-1М и прочие марки. Металл, наплавленный этими электродами, обладает высокой сопротивляемостью к истиранию и смятию при больших удельных нагрузках и высоких температурах — до 650-850°C. Твердость наплавленного слоя без термообработки составляет от 52 HRC (ОЗИ-5) до 61 HRC (ОЗИ-3). Наплавляется 1-3 слоя общей толщиной 2-6 мм. Деталь перед наплавкой подогревают до температуры 300-700°С (в зависимости от марки электрода).

Наплавка деталей, работающих на истирание без ударных нагрузок. Если требуется получить наплавленный металл особо высокой твердости, можно использовать электроды для наплавки Т-590 и Т-620. Они специально предназначены для покрытия деталей, работающих на интенсивное истирание. Их стержень изготовлен из малоуглеродистой стали, зато в покрытия входят феррохром, ферротитан, ферробор, карбид бора и графит. Благодаря этим материалам твердость наплавленного металла может достигать 62-64 единиц по HRC.

Из-за того, что наплавленный металл обладает хрупкостью и склонностью к образованию трещин, изделия, наплавленные электродами Т-590 и Т-620, не предназначены для эксплуатации в условиях значительных ударных нагрузок. Наплавка твердосплавного металла производится в один-два слоя. Если требуется наплавлять большую толщину, нижние слои наплавляются электродами из малоуглеродистой стали и лишь заключительные — твердосплавными.

Наплавка деталей, работающих на истирание с ударными нагрузками. Детали из марганцовистых сталей (110Г13Л и подобные ей), работающие в условиях интенсивного поверхностного износа и высоких ударных нагрузок (в частности, рабочие органы строительного и землеройного оборудования), наплавляют электродами ОМГ-Н, ЦНИИН-4, ОЗН-7М, ОЗН-400М, ОЗН-300М и прочие марки. При их использовании твердость наплавляемого металла во втором слое получается 45-65 HRC при высоких значениях вязкости.

Наплавка нержавеющих сталей. Для наплавки деталей из нержавеющих сталей применяются электроды ЦН-6Л, ЦН-12М-67 и прочие марки. Стержень этих электродов изготовлен из нержавеющей высоколегированной проволоки. Кроме высокой коррозионной стойкости, наплавленный металл имеет еще и устойчивость к задиранию, что позволяет использовать эти электроды для наплавки уплотнительных поверхностей в арматурных изделиях.

При использовании некоторых электродов для наплавки нержавеющих сталей, рекомендуется производить предварительный и сопутствующий подогрев детали до температуры 300-600°С и осуществлять после наплавки термообработку.

Наплавка меди и ее сплавов. Наплавка меди и ее сплавов (бронз) может осуществляться не только на медное или бронзовое основание, но также на сталь и чугун. В этом случае создаются биметаллические изделия, имеющие необходимые эксплуатационные качества (высокую стойкость против коррозии, низкий коэффициент трения и прочие ценные свойства, присущие меди и ее сплавам) и обладающие при этом гораздо более низкой стоимостью в сравнении с деталями, изготовленными полностью из меди или ее сплавов.

Алюминиевые бронзы, в частности, обладающие высокими антифрикционными свойствами, очень хорошо работают в узлах трения, поэтому их наплавляют на червячные колеса, сухари и другие детали, работающие в условиях трения.

Наплавка деталей из технически чистой меди может производиться электродами «Комсомолец-100» или присадочными прутками из меди или ее сплавов. При наплавке меди на медь применяют предварительный подогрев до температуры 300-500°С.

Наплавленный слой желательно подвергать проковке, при температуре меди выше 500°С.

Если требуется наплавка бронзой, можно использовать электроды ОЗБ-2М, содержащие помимо, составляющей основу, меди также олово, марганец, никель и железо. Изделия, наплавленные электродами ОЗБ-2М, имеют высокую поверхностную износостойкость.

Наплавка меди и ее сплавов производится постоянным током обратной полярности в нижнем положении.

Наплавка в среде защитных газов

При восстановлении наплавкой деталей из углеродистых сталей можно использовать более дешевый углекислый газ. Учитывая тот факт, что CO₂ окисляет расплавленный металл, наплавочная проволока в этом случае должна иметь раскислители (марганец, кремний и пр.).

Наплавку меди и ее сплавов можно производить в азоте, который нейтрален по отношению к меди.

Высоколегированные стали, сплавы на магниевой и алюминиевой основе наплавляются в аргоне, гелии или их смеси.

Наплавку неплавящимся вольфрамовым электродом осуществляют в аргоне и гелии. Вообще, инертные газы, особенно, аргон, являются универсальными, подходящими для сварки и наплавки практически любого металла.

В качестве материалов для наплавки полуавтоматами углеродистых и низколегированных сталей применяются сварочные проволоки сплошного сечения (Св-08ГС, Св-08Г2С, Св-12ГС), и специальные наплавочные (Нп-40, Нп-50, Нп-30ХГСА). Для наплавки нержавейки применяют проволоку из нержавеющей стали. Может осуществляться наплавка и порошковой проволокой, позволяющей получить наплавленный слой с особыми свойствами.

При восстановлении деталей наплавкой методом MIG/MAG применяют как и в случае MMA постоянный ток обратной полярности, обеспечивающий меньшее проплавление основного металла. При использовании вольфрамового электрода (метод TIG) используют прямую полярность, исключающую оплавление вольфрамового электрода. Наплавку нужно стараться вести как можно более короткой дугой — во избежание разбрызгивания металла.

Источник

Технология ремонта деталей наплавкой

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.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

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.

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.

Кроме того, для обеспечения направленного формирования свойств металлопокрытий необходим выбор рационального способа и режимов восстановления. При этом следует учитывать, что важную роль среди наплавочных материалов имеют сплавы железа, никеля и кобальта со значительными количествами хрома. Последний увеличивает жаропрочность, коррозионную стойкость, твердость и др.

Влияние легирующих элементов на свойства металлопокрытий. Если наплавленный металл содержит достаточное количество углерода (>0,4 %), то изменением скорости его охлаждения можно получить различные закалочные структуры (троостит, мартенсит) и, следовательно, различную твердость. Твердость наплавленного металла зависит от его структуры. Присутствие в структуре различного рода карбидов, нитридов и других химических соединений способствует значительному увеличению твердости и износостойкости наплавленного металла.

Все режимы наплавки, ^влияющие на образование закалочных структур, воздействуют и на получение более твердых покрытий. Так, например, со снижением рабочего напряжения дуги уменьшается выгорание углерода и других легирующих элементов из электродной проволоки и большее их количество попадает в наплавленный металл. Твердость наплавленного слоя в этом случае всегда увеличивается. Кроме углерода, присутствие в наплавленном слое хрома, марганца, вольфрама, титана, как правило, способствует увеличению его твердости.

Повышенное содержание в шве марганца и кремния способствует получению высоких механических свойств наплавленного слоя: кремний уменьшает кипение сварочной ванны, и металл получается более плотным, марганец уменьшает склонность металла к горячим трещинам, в результате повышаются механические свойства металла шва. Структура наплавленного металла зависит от его химического состава и скорости охлаждения.

Износостойкость наплавленного металла в основном предопределяется его структурой и твердостью. Поэтому все условия наплавок, способствующие получению металла с повышенной твердостью, в большинстве случаев обеспечивают получение наиболее износостойких покрытий.

Чрезмерное количество карбидов меняет механизм изнашивания материала: в определенных случаях карбиды начинают выкрашиваться (кристаллографическое строение карбидов отлично от строения сплавов), а не истираться. В результате износостойкость может уменьшиться. Поэтому в наплавленном металле должно содержаться оптимальное количество карбидообразую-щих элементов. Все виды наплавки приводят к возникновению в наплавленном металле остаточных напряжений. Сжимающие напряжения повышают предел выносливости, а растягивающие — снижают.

Происхождение внутренних напряжений и их влияние на восстанавливаемую деталь обусловлены целым рядом причин. Основными причинами возникновения внутренних напряжений в изделии при наплавке являются изменение температурного и объемного состояния и отсутствие свободного перемещения нагреваемых участков..

Наибольшие значения напряжений получаются в металлопокрытии, которое содержит 0,4…0,5 % углерода. Однако дальнейшее повышение содержания углерода приводит к снижению остаточных напряжений. Это связано со структурной неоднородностью и образованием дефектов в наплавленном металле (поры, микротрещины и т. д.). Отпуск наплавленных образцов при 300 °С уменьшает величину остаточных напряжений на 25…30 %, а при 600 °С — почти полностью их снимает.

Эффективным средством для создания в металлопокрытиях напряжений сжатия является пластическая деформация поверхностных слоев, осуществляемая или вхолодную, или с применением электроконтактного нагрева или нагрева токами высокой частоты, известного под названием электромеханической, или поверхностной термомеханической обработки, описание которых будет приведено ниже.

Зона сплавления в основном определяется переходными составами металла от основного к шву. Формирование микроструктуры в переходной зоне наплавленный слой — основной металл связано в значительной мере со степенью проплавления и смешивания основного и наплавленного металлов, а также с диффузионными процессами на границе сплавления. При этом происходит переход углерода, хрома, марганца и других элементов из материала образуемого покрытия в основной металл, или наоборот, в зависимости от их концентрации в металле наплавки или детали.

Чем больше разница по концентрации, например, углерода между наплавляемым и основным металлами, тем быстрее происходит его диффузия. Более полному протеканию диффузионных процессов, кроме резкого изменения температурного состояния, препятствуют также образуемые при наплавке карбиды. Чем выше содержание углерода и карбидообразующих элементов (хром, вольфрам и др.) в наплавленном металле, тем уже переходные участки зоны сплавления и, следовательно, резче структурная и химическая неоднородность границы сплавления, приводящая к снижению усталостной прочности.

Для случая эксплуатации восстановленных наплавкой (сваркой) деталей в условиях знакопеременных нагрузок и особенно при меняющихся температурах важным является учет совместной работы металлопокрытий и основного металла с переменным коэффициентом теплового расширения у границы сплавления. В связи с различием величин этих коэффициентов по границе сплавления и в прилегающих объемах шва и основного металла при нагревах и охлаждениях возникают напряжения и развиваются пластические деформации тем большие, чем больше различие в значениях коэффициентов тепловых расширений.

Источник