Наплавка металлов

  ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О НАПЛАВКЕ
 

Наплавка предусматривает нанесение расплавленного металла на оплавленную металлическую поверхность с последующей его кристаллизацией для создания слоя с заданными свойствами и геометрическими параметрами. Наплавку применяют для восста­новления изношенных деталей, а также при изготовлении новых деталей с целью получения поверхностных слоев, обладающих повышенными твердостью, износостойкостью, жаропрочностью, кислотостойкостью или другими свойствами. Она позволяет значи­тельно увеличить срок службы деталей и намного сократить расход, дефицитных материалов при их изготовлении. При большинстве методов наплавки, так же как и при сварке, образуется подвижная сварочная ванна. В головной части ванны основной металл расплавляется и перемешивается с электродным металлом, а в хвосто­вой части происходят кристаллизация расплава и образование металла шва. Наплавлять можно слои металла как одинаковые по составу, структуре и свойствам с металлом детали, так и значительно отличающиеся от них. Наплавляемый металл выбирают с учетом эксплуатационных требований и свариваемости.
   Наплавка может производиться на плоские, цилиндрические, конические, сферические и другие формы поверхности в один или несколько слоев. Толщина слоя наплавки может изменяться в широких пределах - от долей миллиметра до сантиметров. При наплавке поверхностных слоев с заданными свойствами, как пра­вило, химический состав наплавленного металла существенно от­личается от химического состава основного металла. Поэтому при наплавке должен выполняться ряд технологических требований. В первую очередь таким требованием является минимальное разбав­ление направленного слоя основным металлом, расплавляемым при наложении валиков. Поэтому в процессе наплавки необходимо получение наплавленного слоя с минимальным проплавлением основного металла, так как в противном случае возрастает доля основного металла в формировании наплавленного слоя. Это при­водит к ненужному разбавлению наплавленного металла расплав­ляемым основным. Далее при наплавке необходимо обеспечение минимальной зоны термического влияния и минимальных напряжений и деформации. Это требование обеспечивается за счет уменьшения глубины проплавления регулированием параметров режима, погонной энергии, увеличением вылета электрода, приме­нением широкой электродной ленты и другими технологическими приемами.

            

             Рис.1  СХЕМА НАПЛАВКИ СЛОЕВ               Рис.2   НАПЛАВКА ТЕЛ ВРАЩЕНИЯ
 

   Технология наплавки различных поверхностей предусматривает ряд приемов нанесения наплавленного слоя: ниточными валиками с перекрытием один другого на 0,3-0,4 их ширины, широкими валиками, полученными за счет поперечных к направлению оси валика колебаний электрода, электродными лентами и др. Распо­ложение валиков с учетом их взаимного перекрытия характеризу­ется шагом наплавки (рис.1).

 

  


     

       Рис.3   СМЕЩЕНИЕ ЭЛЕКТРОДА ПРИ
                   НАПЛАВКЕ ТЕЛ ВРАЩЕНИЯ

         а - наклонно расположенным электродом
         б - вертикально расположенным электродом

 

 

 

 

   Наплавку криволинейных поверхностей тел вращения выпол­няют тремя способами (рис.2): наплавкой валиков вдоль обра­зующей тела вращения, по окружностям и по винтовой линии. Наплавку по образующей выполняют отдельными валиками так же, как при наплавке плоских поверхностей. Наплавка по окружностям также выполняется отдельными валиками до полного замыкания начального и конечного участков их со смещением на определенный шаг вдоль образующей. При винтовой наплавке деталь вращается непрерывно, при этом источник нагрева перемещается вдоль оси тела со скоростью, при которой одному обороту детали соответст­вует смещение источника нагрева, равное шагу наплавки. При наплавке тел вращения необходимо учитывать возможность стекания расплавленного металла в направлении вращения детали. В этом случае целесообразно источник нагрева смещать в сторону, противоположную направлению вращения, учитывая при этом длину сварочной ванны и диаметр изделия (рис.3).
   Выбор технологических ус­ловий наплавки производят, исходя из особенностей мате­риала наплавляемой детали. Наплавку деталей из низкоуг­леродистых и низколегирован­ных сталей обычно производят в условиях без нагрева изделий. Наплавка средне- и высокоуг­леродистых, легированных и высоколегированных сталей часто выполняется с предвари­тельным нагревом, а также с проведением последующей термообработки с целью снятия внутренних напряжений.
   Нередко такую термообработку (отжиг) выполняют после наплавки для снижения твердости перед последующей механической обработкой слоя. Для выполнения наплавки в основном применяют способы дуговой и электрошла­ковой сварки. При выборе наиболее рационального способа и технологии наплавки следует учитывать условия эксплуатации на­плавленного слоя и экономическую эффективность процесса.



                                СПОСОБЫ И ТЕХНОЛОГИЯ НАПЛАВКИ
 

Дуговая наплавка под флюсом. Нагрев и расплавление металла, так же как при сварке, осуществляются теплом дуги, горящей между плавящимся электродом и основным металлом под слоем флюса. Наплавка под флюсом является одним из основных видов механи­зированной наплавки. Основными преимуществами являются не­прерывность и высокая производительность процесса, незначитель­ные потери электродного металла, отсутствие открытого излучения дуги.   Отличительной особенностью наплавки под флюсом является хороший внешний вид наплавленного слоя (гладкая поверхность и плавный переход от одного наплавленного валика к другому). В процессе наплавки возможны четыре основных способа легирова­ния наплавленного металла (рис.4).

 

Р и с. 4. СПОСОБЫ ЛЕГИРОВАНИЯ НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА:         
a - через   сварочную   проволоку,   б - порошковую   проволоку, 
в - керамический флюс,    г - укладка легированной присадки
 

1. Применение легированной проволоки или ленты и обычных плавленных флюсов. Для наплавки используют легированные сва­рочные проволоки, специальные наплавочные проволоки и леги­рованные ленты, в том числе спеченные. Наплавка производится под флюсами АН-20, АН-26 и др., которые выбирают в зависимости от состава электродного металла.

2.  Применение порошковой проволоки или порошковой ленты и обычных плавленных флюсов. Порошковая проволока или лента расплавляется в дуге и образует однородный жидкий расплав. Этотспособ позволяет получить наплавленный металл с общим содержанием легирующих примесей до 40-50%. Марка порошковойпроволоки или ленты выбирается в зависимости от необходимого типа наплавленного металла и его требуемой твердости.

3. Применение обычной низкоуглеродистой проволоки или ленты и легирующих наплавленных флюсов (керамических). Этот способ позволяет ввести в наплавленный металл до 35% легирующих примесей. При наплавке наибольшее применение получили кера­мические флюсы АНК-18 и АНК-19, обеспечивающие хорошее формирование наплавленного металла, легкую отделимость шлако­вой корки, высокую стойкость наплавленного металла против об­разования пор и трещин.

4. Применение обычной низкоуглеродистой проволоки или ленты и обычных плавленных флюсов с предварительной укладкой легирующих материалов на поверхность наплавляемого изделия. Здесь возможна предварительная засыпка или дозированная подача легирующих порошков, а также предварительная укладка прутков или полосок легированной стали, намазывание специальных паст на место наплавки и др. Во всех случаях нанесенный легирующий материал расплавляется дугой и переходит в наплавленный металл.

   В связи с тем что в технологии выполнения между наплавкой и сваркой много общего, для наплавки применяется то же оборудо­вание, что и при сварке соответствующими способами.
   Наплавку углеродистых и низколегированных сталей выполня­ют под плавленными флюсами ОСЦ-45, АН-348-А. Флюс АН-60 пригоден для одно- и многоэлектродной наплавки низкоуглероди­стых и низколегированных сталей на нормальных и повышенных скоростях, а также для наплавки электродными лентами.
   Наплавку легированных сталей производят под низкокремни­стыми плавленными флюсами АН-22, АН-26 и др., а высоколеги­рованные хромоникеливые стали и стали других типов с легкоокис-ляющимися элементами (титан, алюминий) - под фторидными флюсами АНФ-1 и АНФ-5.
   Для предупреждения образования шлаковых включений и не-проваров в наплавленном слое при многослойной наплавке необ­ходимо тщательно удалять шлаковую корку с предыдущих слоев.

Дуговая наплавка в защитных, газах. Наплавку в защитных газах применяют в тех случаях, когда невозможны или затруднены подача флюса и удаление шлаковой корки. Преимуществами данного вида наплавки являются визуальное наблюдение за процессом и возмож­ность его широкой механизации и автоматизации с использованием серийного сварочного оборудования. Ее применяют при наплавке деталей в различных пространственных положениях, внутренних поверхностей, глубоких отверстий, мелких деталей и сложных форм и т. п. Технология выполнения наплавки в защитных газах во многом сходна с технологией наплавки под флюсом, отличие лишь в том, что вместо флюсовой применяют газовую защиту зоны сварки. Помимо перечисленных преимуществ это освобождает сварщика от необходимости засыпки флюса и удаления шлака. С целью уменьшения разбрызгивания металла наплавка в защитном газе производится самой короткой дутой. Наплавку плоских повер­хностей во избежание коробления деталей производят отдельными участками «вразброс». Цилиндрические детали можно наплавлять по винтовой линии как непрерывным валиком, так и с поперечными колебаниями электрода: Короткие участки могут наплавляться про­дольными валиками вдоль оси цилиндрической детали, но здесь возможно возникновение деформаций, которые в процессе наплав­ки следует уравновешивать. Для этого наплавка каждого последу­ющего валика должна производиться с противоположной стороны по отношению к уже наплавленному. При наплавке внутренних цилиндрических и конических поверхностей применяют специаль­ные удлиненные мундштуки.
   Наплавка может производиться в углекислом газе, аргоне, гелии и азоте. Высоколегированные стали, а также сплавы на алюмини­евой и магниевой основе наплавляются в аргоне или гелии. На­плавка меди и некоторых ее сплавов может производиться в азоте, который ведет себя по отношению к ней нейтрально. При наплавке углеродистых и легированных сталей используют более дешевый углекислый газ. Наплавка может производиться как плавящимся, так и неплавящимся электродами. Неплавящийся вольфрамовый  электрод обычно применяют при наплавке в аргоне и гелии. Наибольшее распространение получила наплавка в углекислом газе плавящимся электродом на постоянном токе обратной полярности. Учитывая, что углекислый газ окисляет расплавленный металл, в наплавочную проволоку обязательно вводят раскислители (марга­нец, кремний и др.). При наплавке применяют как проволоку сплошного сечения, так и-порошковую. Для наплавки деталей из углеродистых и низколегированных сталей с целью восстановления их размеров применяют сварочные проволоки сплошного сечения Св-08ГС, Св-08Г2С, Св-12ГС, а также наплавочные Нп-40, Нп-50, Нп-ЗОХГСА и др. При необходимости получения наплавленного слоя с особыми свойствами применяют порошковые проволоки.
   Недостатком способа является то, что в процессе наплавки в углекислом газе наблюдается сильное разбрызгивание жидкого металла, приводящее к налипанию брызг на мундштук и засорению сопла горелки. Кроме того, возможность сдувания газовой струи ветром затрудняет наплавку на открытом воздухе.

Дуговая наплавка порошковыми проволоками. Наплавка порош­ковой проволокой с внутренней защитой основана на введении в сердечник проволоки кроме легирующих компонентов также шла-кообразующих и газообразующих материалов. Применение флюсо­вой и газовой защиты при наплавке такой проволокой не требуется. Легирующие элементы порошковой проволоки переходят в шов, а газо- и шлакообразующие материалы создают защиту металла от азота и кислорода воздуха. В дуге тонкая пленка расплавленного шлака покрывает капли жидкого металла и изолирует их от воздуха. Разложение газообразующих материалов создает поток защитного газа. После затвердевания на поверхности наплавленного валика образуется тонкая шлаковая корка, которая может не удаляться при наложении последующих слоев. При наплавке используют различ­ные самозащитные порошковые проволоки. Для наплавки низко-углеродистых слоев используют сварочные проволоки типа ПП-АНЗ и др. Для получения слоев с особыми свойствами приме­няют специальные проволоки. Так, для наплавки деталей, работа­ющих при больших давлениях и повышенных температурах, применяют порошковую проволоку ПП-ЗХВЗФ-О, наплавку дета­лей, подвергающихся интенсивному абразивному износу, произво­дят самозащитной порошковой проволокой ПП-У15Х12М-6 (буква О в обозначении марки порошковой проволоки указывает, что данная порошковая проволока предназначена для наплавки откры­той дугой).
   Технология выполнения наплавки самозащитной порошковой проволокой в основном ничем не отличается от технологии наплав­ки в углекислом газе. Открытая дуга дает возможность точно направлять электрод, наблюдать за процессом формирования на­плавляемого слоя, что имеет большое значение при наплавке деталей сложной формы. Одним из преимуществ этого способа является применение менее сложной аппаратуры по сравнению с аппаратурой, применяемой при наплавке под флюсом и защитном газе, а также возможность выполнять наплавочные работы на открытом воздухе; увеличивается производительность по сравне­нию с наплавкой под флюсом и в защитных газах, снижается себестоимость наплавляемого металла.