1. Общая характеристикапроцесса наплавки
Одной из важных отраслейсовременной сварочной техники является наплавка – нанесение расплавленногометалла на поверхность изделия, нагретую до оплавления или до температурынадежного смачивания жидким наплавленным металлом. Наплавленный металл связан с основным металлом весьма прочнои образует одно целое с изделием. Толщина слоя от 0,5 до 10 мм и более. Это один из наиболее распространенных способов повышения износостойкости ивосстановления деталей и конструкций.
Наплавка позволяетсоздавать биметаллические изделия, у которых высокая прочность и низкаястоимость сочетаются с большой долговечностью в условиях эксплуатации.Многократное повторное восстановление изношенных деталей во много раз уменьшаетрасход металла для изготовления запасных частей оборудования.
Путем наплавки на рабочейповерхности изделия получаем сплав, обладающий комплексом свойств — износостойкостью, кислотоупорностью, жаростойкостью и т.д. Масса наплавленногометалла не превышает нескольких процентов от массы изделия. При ремонтевосстанавливаются первоначальные размеры и свойства поверхности деталей.
Увеличение стойкостиважно, если от нее зависит работа того или иного агрегата, а его замена связанас простоем.
Дуговая наплавка вотличие от сварки развивалась гораздо медленнее. Ручная износостойкая наплавкаоткрытой дугой известна с 20-х годов прошлого столетия, но ее промышленное применение ограничивалось коренными еенедостатками: низкой производительностью, высококвалифицированной рабочейсилой, тяжелыми условиями труда, непостоянным качеством наплавленного металла,обилием различных дефектов.
Для наплавки наибольшееприменение получила дуговая сварка плавящимся электродом.
Требования к качествунаплавленного металла строже чем к сварным швам. Наплавленный металл посвойствам должен существенно отличаться от основного металла. Часто в немнедопустимы поры, трещины и иные пороки, поэтому требования к нему строже, чемк сварным швам.
Автоматическая наплавкасвободна от перечисленных недостатков и способствовала успешному ее внедрению.
Механизированная наплавка– это непрерывность процесса, которая достигается использованием электроднойпроволоки или ленты в виде больших мотков; в подводе тока к электроду наминимальное расстояние от дуги, что позволяет применять токи большой силы безнагрева электрода; в применении различных способов защиты расплавленногометалла от вредного воздействия воздуха.
Оптимальный составнаплавленного металла должен быть выбран с учетом особенностей егоэксплуатации, а электродная проволока, флюс, термический режим наплавки – так,чтобы наплавленный металл обладал необходимым химическим составом и физическимисвойствами.
Процессы наплавкиприменяются при ремонте и восстановлении первоначальных размеров и свойствизделий, изготовлении новых изделий с целью обеспечения надлежащих свойствконкретных поверхностей. При восстановлении наплавку обычно выполняют тем жеметаллом, из которого изготовлено изделие, однако это не всегда целесообразно.Иногда необходимо получить металл, отличающийся от металла детали, так какусловия эксплуатации поверхностных слоев могут значительно отличаться отусловий эксплуатации всего изделия. Изготовление изделия целиком из металла,который обеспечивает эксплуатационную надежность работы его поверхностей неэкономно. Целесообразно изготавливать изделие из более дешевого, но достаточноработоспособного металла и только на поверхностях, работающих в особыхусловиях, иметь по толщине необходимый слой другого материала (применять биметалл). Это может быть достигнуто: поверхностным упрочнением(поверхностная закалка, электроискровая и другие виды обработки); нанесениемтонких поверхностных слоев значительной толщины на поверхность (нанизкоуглеродистую сталь нанесением бронзы, коррозионностойкой стали и др.)
На Украине вопросаминаплавки занимаются следующие организации: ИЭС им ЕО Патона ЖдМи, ДГМА, НКМЗ,Азовмаш, «Азовсталь» и др.
Для успешного развитиянаплавки промышленностью выпускается углеродистая, легированная стальнаяпроволока 56 марок, специальная наплавочная проволока 28 марок, различные флюсыи специальные наплавочные электроды.
Развитие наплавкинаправлено в первую очередь на полную механизацию трудоемких наплавочных работза счет автоматической и полуавтоматической наплавки. Разрабатываются новыетехнологии.
Характеристикаосновных способов наплавки
Различные дуговые способынаплавки отличаются друг от друга тепловой подготовкой основного инаплавляемого металлов. Например, плазменная наплавка прямого и косвенногодействия (при косвенном действии меньшее проплавление основного металла).
Применение порошков,наплавочных колец путем их расплавления и подплавления на заготовке основногометалла дугой с неплавящимся электродом позволяет не увеличивать долю основногометалла в наплавленном слое.
/>
Рис.1.1 — Схемы основныхспособов дуговой и электрошлаковой наплавки.
а – угольным(графитовым) злектродом(1) расплавлением слоя сыпучего зернистого наплавочногосплава(2);
б – ручнойдуговой покрытым электродом(1) с легирующим покрытием(2);
в –неплавящимся вольфрамовым электродом(1) в защитных газах с подаваемым в дугуприсадочным прутком(2);
г – плавящимсяэлектродом (1) в защитных(инертных, активных) газах;
д –автоматическая дуговая плавящейся электродной (обычнолегированной) проволокой(1) под флюсом (2);
– плавящейсялентой(1) катаной, литой или прессованной из порошков в защитных газах или подфлюсом;
ж –расплавлением плазменной струей плазмотрона (1), предварительно наложенноголитого или спеченного из порошков кольца (2) напла вочного материала;
з –электрошлаковая наплавка плавящимися электродами (1) с перемещаемым составныммедным ползуном (2);
3 –наплавлляемая деталь; 4 – наплавленный слой
Рисунок 1.1 — Схемыосновных способов дуговой и электрошлаковой наплавки
2. Механизм изнашиванияповерхностей деталей
Стандартной терминологии в области трения и изнашивания пока нет.Предложены следуюшиеопределения:
Изнашивание– процесс постепенного изменения размеров тела при трении, проявляющийся вотделении с поверхности трения материала и его остаточной деформации и являетсяосновным фактором, ограничивающим срок службы оборудования, работающего в самыхразличных условиях.
Износ – результатизнашивания, проявляющийся в виде отделения или остаточной деформации металлов.
Интенсивность изнашивания– отношение величины износа к обусловленному пути, на котором происходилоизнашивание, или объему выполненной работы.
Относительнаяизносостойкость — безразмерный показатель, характеризующий соотношениеабсолютных величин износа двух материалов, из которых один принят за эталон.
Скорость изнашивания — отношение величины износа ко времени, в течение которого он возник.
Обычно видизнашивания определяется условиями службы деталей. В ряде случаев одним и темже внешним условиям эксплуатации могут соответствовать различные видыизнашивания.
Изнашивание осуществляетсяв результате взаимодействия рабочего органа машины или конструкции ссопряженной деталью или с обрабатываемой средой и зависит от следующихфакторов: состава, структуры и свойств как материала, из которого изготовляетсярабочий орган сопряженной детали илиобрабатываемой среды, так и от внешних условий – температуры, давления,агрессивности среды.
Исследователямивыдвигаются с разной степенью аргументированности гипотезы о механизме изнашивания. Они в основном включают предположение отом, что процесс изнашивания сводится к сумме большого числа элементов царапания илиусталостного явления вследствие многократного пластического передеформированияодних и тех же участков рабочей поверхности. Процесс изнашивания рассматриваетсятакже, как образование на рабочей поверхности пластически выдавленных канавок; или как при изнашиваниимикрорельеф, структура и прочностные характеристики металла претерпеваютнеобратимые изменения, в результате которых формируется своеобразное остаточноесостояние поверхностных слоев после снятия нагрузки.
Влюбом случае при всех условиях процесс изнашивания осуществляется всоответствии с фундаментальными законами природы, в частности, законом сохраненияэнергии.
Длятого, чтобы отделить от монолитной детали некоторый микро или макрообъём, нужнозатратить энергию, по крайней мере, равную величине энергии, необходимой дляобразования двух новых поверхностей соответствующей площади .
Энергия, расходуемая наразрушение, складывается из энергий необходимыхна: упругую деформацию Еу, на вдавливаниесоставляющих изнашивающей среды в метал Ев на глубину, равную средней величине износа за один цикл; образование трещины Е от; энергии, соответствующей работе приложенного напряжения при раскрытии трещины Ерти эффективной энергии образования новых поверхностей2Еп :
Ер = Еу + Ев+ Еот+ Ер.т + 2Еп
Характеристикавидов износа
Обычно вид изнашивания определяется условиями службы деталей. Вряде случаев одним и тем же внешним условиям эксплуатации могут соответствоватьразличные виды изнашивания.
По признаку основных явлений, обусловливающих эффект изнашивания,его можно объединить в следующие четыре главные группы: механический,молекулярно-механический, коррозионно-механический и кавитационный (рис.2.1) .
По виду сред и условиямработы пар трения выделяют механическое изнашивание, абразивное изнашивание,высокотемпературное окислительное изнашивание, изнашивание струей жидкости и другие.
По механизму разрушениятрущихся поверхностей различают следующие виды изнашивания: адгезионное,абразивное, при резании (зазоре, царапании), коррозионное, поверхностнаяусталость, ударное, кавитационно-эрозионное.
Напрактике редко встречаются случаи изнашивания по какому–либо одному из видов,приведенных выше. Обычно вид изнашивания определяетсяусловиями эксплуатации деталей в сложных реальных условиях и по любой изизвестных классификаций может быть отнесен к нескольким из выделенных видов. В ряде случаев одним и тем же внешним условиям эксплуатациимогут соответствовать различные виды изнашивания.
/>
Рисунок 2.1 – Классификация основных видов изнашивания
3.Основные способылегирования наплавленного металла при дуговой и электрошлаковой наплавке
Специальные свойстванаплавленного металла достигаются за счет легирования, то есть, за счетвведения в его состав соответствующих элементов в необходимом количестве.Наиболее распространенным является легирование наплавленного металла за счетвведения в зону дуги металлов, сплавов и неметалловидных соединений в видеразличных карбидов и интерметаллов.
При дуговой наплавкеплавящимся или неплавящимся электродом, в среде защитных инертных газов,плазменной электрошлаковой наплавке химический состав наплавленного металла повсем основным легирующим элементам примерно соответствует химическому составуэлектродного материала. Дополнительного устойчивого легирования наплавленногометалла в результате металлургических взаимодействий наплавляемого металла сгазовой фазой (например, азотом или кислородом, которые можно добавлять кинертному газу, как правило, аргону) обычно достичь не удается.
Применение в качествеплавящегося электрода ленты весьма целесообразно. При этом уменьшается γ0(меньшее число слоев позволяет получить желаемый состав), ослабляетсявлияние режима наплавки на относительную массу переплавляемого шлака,достигается более ровная наплавленная поверхность. В качестве наплавочныхприменяют обычно холоднокатаные ленты толщиной 0,4.10 мм и шириной 20 .100 мм,а также ленты, получаемые прокаткой залитого в охлаждаемые валки жидкогометалла (например, чугуна) и спрессованные холодной прокаткой из порошков идополнительно спеченные – металлокерамические.
При всех вышеуказанныхметодах легирования изменение параметров процесса наплавки влияет на уровеньлегирования наплавленного металла. Характер и величина изменения уровнялегирования зависит от электродного металла и флюса. Возможность получениянеобходимого состава определяется исходной концентрацией элементов и степеньюусвоения этих элементов металлом на стадияхкапли и ванны.
Весьма разнообразныесоставы наплавленного металла могут быть получены посредством порошковыхпроволок, изготовляемых из низкоуглеродистой ленты и сердечника, состоящего изсмеси металлических порошков или смеси металлических порошков игазошлакообразующих веществ.
Основной особенностьюлегирования металла при наплавке порошковой проволокой является внутреннее,относительно электродного металла, расположение легирующих компонентов всердечнике проволоки. Взаимодействие металлических присадок с окислительнымикомпонентами шихты протекает менее интенсивно, а шихта сердечника контактируетс металлом оболочки слабее, чем при наплавке покрытыми электродами.
Реализация процессапрямого легирования требует введения в ванну необходимого количествараскислителей и окислов легирующих элементов и может привести к снижению температуры капель и ванны,замедления и нарушения хода металлургических реакций и неравномерногораспределения элементов в валике. При введении экзотермической смеси в состав сердечника порошковой проволокипоявляется возможность равномерного расплавления оболочки и сердечника.Благодаря теплу экзотермической реакции, конвективному теплообмену с ванной, атакже излучению осуществляется расплавление сердечника и предотвращается переходего твердых частиц в ванну.
При дуговой наплавкеплавящимся или неплавящимся электродом, в среде защитных инертных газов,плазменной, электрошлаковой наплавке химическийсостав наплавленного металла по всем основным легирующим элементам примерносоответствует химическому составу электродного материала. Дополнительногоустойчивого легирования наплавленного металла в результате металлургическихвзаимодействий наплавляемого металла с газовой фазой (например, азотом иликислородом, которые можно добавлять к инертному газу, как правило, аргону)обычно достичь не удается.
При использовании дуги снеплавящимся электродом (угольным без защиты от воздуха или вольфрамовым сзащитой инертными газами) легирование обеспечивается в основном тольконаплавляемым материалом и его перемешиванием с основным металлом. При ручномпроцессе можно применять стержни из проволок сплошного сечения (согласно ГОСТ10543-75 или 2246-70 или другого состава), литые прутки из недеформируемыхсплавов (высокохромистый чугун — сормайт, а также кобальтовые стеллиты типа В3Ки др.); порошковые присадки (трубка с сердечником из твердых термически стойкихкарбидов — ликар), а также порошкообразные (размером 100...750 мкм) и зернистыенаплавочные материалы (сталинит — смесь феррохрома, ферромарганца, чугуннойстружки и нефтяного кокса).
В ряде случаевмеханизированной наплавкой аргонодуговым методом вольфрамовым электродом можнорасплавлять уложенные на место наплавки заготовки наплавочного материала,выполненного в виде литья или из прессованных порошков. При достаточно хорошоподобранном режиме наплавки такая наплавочная заготовка (брикет, кольцо и пр.),расплавляясь, нагревает лежащую под жидким металлом поверхность до оплавления,в результате чего расплав соединяется с основным металлом.
По такой схеме можнополучать наплавленные слои любой композиции, хотя при этом необходимо учитыватьи возможность образования трещин в слое или по зоне сплавления. В качествеприсадки при аргонодуговой наплавке можно использовать спеченные из порошковпрутки.
Аналогично получаетсясоединение и при плазменной наплавке при горении дуги на проволоке изнаплавляемого сплава (например, медной или бронзовой). В этом случае перегретыйметалл расплавленной проволоки осуществляет необходимую тепловую подготовку коплавлению поверхности, не включенной в цепь дуги наплавляемой детали.
Имеются плазмотроны, в которых через дугу, горящую между электродом исоплом плазмотрона, вдувается мелкий порошок (обычно с размером частиц до 100мкм) наплавляемого материала. Он расплавляясь, перегревается до необходимой температуры и, поступаяна наплавляемую поверхность в виде капель, приводит к оплавлению основногометалла и установлению металлической связи (свариванию) наплавляемого металла сосновным. Возможности регулирования химического состава наплавляемого металлапри таких способах очень широки.
При наплавке плавящимсяэлектродом в углекислом газе приходится считаться с потерями легирующихэлементов за счет их окисления. Легирование наплавленного металла достигается восновном выбором соответствующего присадочного металла (электродная проволокасплошного сечения, порошковая и др.) или применением дополнительных наплавочныхматериалов (паст, перед наплавкой наносимых на кромки; присадочных прутков,порошков, засыпаемых на поверхность перед наплавкой или вдуваемых в сварочнуюванну; дополнительных проволок, прутков, укладываемых на поверхность илиподаваемых в сварочную ванну и др.).
Наплавка электродами,имеющими специальные покрытия, позволяет получать довольно значительноелегирование через составляющие электродного покрытия (обычно вводимые впокрытия в виде порошков металлов, сплавов или углеродистых составляющих) илипосредством выбора состава металлического стержня электрода.
Переход легирующихэлементов из стержня и покрытия электрода зависит от свойств элемента (егосродства к кислороду, температуры испарения и др.), от композиции электродногопокрытия металла стержня электрода, а также от коэффициента массы покрытия.Варьируя составы электродного стержня, количество и состав покрытия, можнополучить множество составов наплавленного металла, легированных различнымиэлементами и, следовательно, обладающими различными свойствами в исходномсостоянии после наплавки или после последующей термообработки.
При наплавке покрытымиэлектродами состав наплавленного металла весьма незначительно зависит от режиманаплавки (главным образом усиливается выгорание углерода при значительномувеличении силы сварочного тока и напряжения дуги).
Таким образом, вразличных случаях при наплавке необходимо комплексно решать ряд сложныхвопросов: выбор материала, обеспечивающего свойства соответствующие условиямэксплуатации; возможность наплавки этого материала непосредственно на основнойметалл детали или подбор материала для наплавки подслоя; выбор способа и режиманаплавки, формы и методов изготовления наплавочных материалов; выбортермического режима для выполнения наплавки (сопутствующий подогрев дляисключения хрупких подкаленных зон в металле детали); интенсификации охлаждениянаплавляемой детали, когда для детали нежелательно длительное пребывание привысоких температурах; установление необходимости последующей термообработки(общей или местной) для получения необходимых эксплуатационных характеристик.
При наплавке мартенситныхи аустенитных сталей на низкоуглеродистые или низколегированные стали возможнообразование хрупких прослоек промежуточных составов и возможны хрупкиеразрушения, образование трещин, отслаивание слоя от основного металла (принаплавке медных сплавов на ряд сталей). Поэтому применяется усложненнаятехнология наплавки – предварительно наплавляется подслой из другогонаплавочного материала, а затем тот материал, который требуется на поверхностьнаплавляемой детали по условиям ее надежной эксплуатации. Такой подслойограничивает развитие диффузионных прослоек, обезуглероживание в углеродистойстали и появление карбидной прослойки в более легированной аустенитной сталивозле линии сплавления.
4. Характеристикаматериалов для наплавки поверхностей деталей с абразивным износом
Современноемашиностроение предъявляет повышенные требования к наплавочным электроднымматериалам. Однако часто сложный состав стержней штучных электродов илипроволок для автоматической наплавки таков, что их изготовление стандартнымиметодами прокаткой, волочением) существенно затруднено, а часто и вообщеневозможно. В связи с этим, разработка электродовкак с легированным стержнем и дополнительным легированием наплавленного металлачерез покрытие, так и порошковых проволок для механизированных видов сварки инаплавки предусматривает введение легирующих элементов в требуемых количествах.
Состав и свойстванаплавленного металла (слоя) зависит от условий службы изделия и его выбор является сложной задачей, так как износпротекает по-разному в зависимости от условий работы. При эксплуатации выбираетсяглавный вид износа и ему уделяется основное внимание. Всвязи с необходимостью поддержания оптимальной температуры при проведенииметаллургических реакций в процессе наплавки требуется подвод тепла от дуговогоразряда при дуговых видах наплавки или за счет генерирования теплоты припрохождении тока по расплавленному шлаку в процессе электрошлаковой наплавки.
Некоторые из наиболеераспространенных наплавочных материалов, в частности, электродов, для тяжелыхусловий эксплуатации и восстановления быстроизнашиваемых деталей приведены втабл.4.2, 4.3 и для специфичных условий наплавки деталей железнодорожного транспортав таблице 4.4.
Электроды для наплавкиследует рассматривать в связи с технологией наплавки и условиями работынаплавленного металла. Свойства наплавленного металла зависят отпредварительного подогрева, методов наплавки, погонной энергии, условийохлаждения, массы и химического состава, термической обработки. Поэтому принаплавке одними и теми же электродами, порошковыми проволоками с использованиемфлюсов одного и того же состава можно получить металл, обладающий различнымисвойствами.
Электроды ОМГ-Нпредназначены для наплавки деталей, работающих в условиях абразивногоизнашивания и высоком давлении, а также для заварки небольших дефектов изделийиз стали Г13. Используются как при однослойной, так и при двухслойной наплавке.Отношение хрома к углероду в пределах 15…20. Структуранаплавленного металла доэвтектическая: мартенсит с продуктами распада аустенитапри небольшом количестве карбидной фазы. Из-за феррита в матрицеизносостойкость относительно невелика, но сопротивление ударным нагрузкамдостаточно высоко. Без термической обработки может применяться в условияхабразивного воздействия. После термической обработки (закалка + низкий отпуск)повышается сопротивление изнашиванию, но понижается ударостойкость.
Электроды Т-620предназначены для наплавки деталей, работающих в условиях абразивногоизнашивания без значительных ударов. Благодаря наличию титана и марганца (до1,5%) содержание углерода без ущерба для износостойкости можно было бы уменьшитьдо 0,2%.
Электроды Сормайт С27предназначены для наплавки деталей, работающих в условиях абразивногоизнашивания с умеренными ударными нагрузками при температуре до 500оСи наличии коррозионной среды(била углеразмольных мельниц, зубья ковшейэкскаватора, била дробилок).
Электроды 13КН/ЛИВТпредназначены для наплавки деталей, работающих в условиях абразивногоизнашивания при отсутствии ударов или при слабых ударах. Обеспечивают получениезаэвтектоидной структуры наплавленного металла с мартенситом и небольшим количествомвторичных карбидов цементитного типа. При низком отношении хрома к углероду дополнительныхкарбидов хрома не образуется. Наплавленный металл имеет умереннуюизносостойкость и небольшую ударостойкость из-за содержания в структуремартенсита. Содержание углерода должно быть больше для получения специальныхкарбидов и более высокой износостойкости.
Система легированияC-Cr-В используется для наплавки быстроизнашиваемых стальных и чугунныхдеталей, работающих при абразивном воздействии. Наплавка производится напостоянном токе при обратной полярности в нижнем положении. Наплавочный металлтермической обработке не подвергается и наплавку следует производить не болеечем в два слоя на стальных изделиях и в один слой на чугунных. Наплавленныйметалл склонен к образованию трещин.
Список литературы
1 Технология иоборудование сварки плавлением и термической резки: Учебник для вузов.– 2-еизд. Испр. и доп./ А.И.Акулов, В.П.Алехин, С.И.Ермаков и др./ Под ред.А.И. Акулова.-М.: Машиностроение, 2003.-560с.
ISBN 5-217-03130-1
2Хасуи А., Моригаки О. Наплавка и напыление / Пер.с яп.В.Н. Попова. Под ред.В.С.Степина, Н.Г. Шестернева. М.: Машиностроение,1985.-240с.
3Износостойкость сплавов, восстановление и упрочнение деталей машин /Под общейред.В.С. Попова.- Изд. ОАО Мотор Сич.- Запорожье, 2006.- 420с.
ISBN 966-7108-97-3
4Грохольский, Н.Ф. Восстановление деталей машин и механизмов сваркой инаплавкой.- М.: Машиностроение.-1966.-275с.