10.1. ЭЛЕКТРОДУГОВАЯ НАПЛАВКА

Электро дуговая наплавка широко применяется в различных отрас­лях современной промышленности в двух основных случаях.

1. С целью восстановления изношенных во время эксплуатации машин и механизмов деталей. По сути, эта операция относится к ремонтным работам и позволяет иногда надолго продлить сроки эксплуатации изделия без больших затрат на изготовление (при­обретение) новой детали. Обычно (но далеко не всегда) наплав­ку ведут металлом того же химического состава, что и металл де­тали. Этот способ, как правило, применяют для восстановления исходных размеров детали.

2. Для наплавки слоев с особыми свойствами на поверхность дета­лей, которые с целью экономии изготавливают из обычных кон­струкционных сталей.

Как правило, химический состав наплавляемых материалов резко отличается от химического состава металла детали, что диктуется теми свойствами, которые должен иметь поверхностный слой. Окончатель­ный химический состав наплавленного слоя зависит также от доли уча­стия расплавленного (нелегированного) основного металла. Чем мень­ше эта доля, тем меньшие изменения происходят в наплавленном слое, сохраняя состав его (а значит и свойства) в состоянии, близком к ис­ходному. Здесь возникает одно из основных требований, предъявляе­мых ко всем способам дуговой наплавки, - они должны обеспечивать минимальное проплавление основного металла детали.

Толщина наплавляемого слоя может быть различной и колебаться в пределах 0,5... 10,0 мм. При большой толщине наплавляемого слоя на­плавка выполняется многослойной; в этом случае получить исходный состав последнего слоя наплавки проще из-за все уменьшающейся доли участия металла предыдущего слоя в последующем.

Доля участия основного металла в наплавляемом зависит от приня­того способа наплавки и параметров ее режима. Электродуговые спосо­бы наплавки различаются между собой характером теплового воздействия на основной металл. Практически, для различных металлов и характера наплавляемых деталей могут быть применены различные способы дуго­вой наплавки: газовая, ручная штучным электродом, автоматическая и полуавтоматическая под флюсом или в среде защитных газов, плазмен­ная или электрошлаковая. При этом может применяться дуга прямого или косвенного действия. Каждый способ имеет свои диапазоны измене­ния доли участия основного металла в наплавленном слое (рис. 10.1). На долю участия основного металла в металле наплавки влияют и другие факторы (например, температура плавления, теилофизические свойства основного металла, его масса, применение сопутствующего подогрева).

1 - автоматическая иод флюсом; 2 - ручная покрытыми электродами;

3 - автоматическая иод флюсом с дополнительной присадочной проволокой;
4 - автоматическая под флюсом ленточным электродом;
г) - плазменной дугой с токоведущей проволокой

Как правило, для получения поверхностного слоя с особыми, нуж­ными для эксплуатации свойствами требуется вводить в наплавленный металл довольно большое количество легирующих элементов. Это уда­ется сделать, применяя следующие материалы.

1. Порошковые проволоки (или ленты). Они позволяют вводить в наплавленный! металл 40...70% легирующих элементов (от массы

основной проволоки) и сейчас широко применяются для созда­ния наплавленных слоев с практически любыми свойствами во многих отраслях мировой промышленности. Это объясняется относительной простотой создания нужной по химическому со­ставу металлопорошковой среды - наполнителя проволоки или ленты. В зависимости от состава такая шихта обеспечивает при­менение при наплавке проволоки (ленты) либо без защиты, либо под флюсами (в основном нейтральными) или в среде инертных газов или их смесей.

2. Углеродистые или легированные проволоки, холоднокатаные ленты в сочетании со слабоокислительными плавлеными или ке­рамическими флюсами. В последнем случае возможно также при­менение легированных керамических флюсов в сочетании с ма­лолегированной проволокой или лентой. В этом варианте через флюс в наплавленный металл можно ввести до 35% легирующих элементов.

3. Дополнительные легирующие элементы, вводимые через поро­шок или присадочную проволоку. В первом случае порошок нуж­ного состава засыпается на наплавляемую поверхность, а во вто­ром присадочная проволока, подключенная в сварочную цепь, вводится в дугу. Уменьшая количество расплавляемого металла, этот способ одновременно уменьшает разбавление наплавляемого металла основным за счет уменьшения доли его участия в наплав­ленном.

Большое влияние на химический состав наплавленного металла при всех способах наплавки оказывает режим наплавки (особенно это за­метно при наплавке под слоем флюса, что связано с увеличением глу­бины проплавления и количеством расплавляемого флюса). Здесь це­лесообразно применение ленты, что уменьшает глубину проплавления основного металла, увеличивает производительность наплавки, созда­ет более ровную наплавляемую поверхность.

Ленты поставляются в холоднокатаном виде толщиной 0,4...4,0 мм и шириной 20... 100 мм. Изготавливаются и металлопорошковые ленты различных химических составов. Наплавка лентами, как правило, про­изводится под флюсом на автоматах, оборудованных специальными подающими ленту механизмами.

Естественно, что ручная наплавка обладает значительно меньшей про­изводительностью (0,5...2,0 кг/ч), химический состав наплавленного ме­талла при этом способе во многом зависит от режима наплавки (с увеличением силы тока и напряжения на дуге усиливается выгорание легирующих элементов).

Вообще через покрытие можно обеспечить довольно значительное легирование наплавляемого металла. Поэтому, варьируя составом покры­тия и составом стержня, можно получить множество композиций наплав­ленного металла с различными свойствами. Существует большое коли­чество типов и марок электродов, обеспечивающих на деталях из различных марок сталей наплавку слоев с необходимыми свойствами. Так, для наплавки низкоуглеродистых, углеродистых и низколегированных сталей на деталях без термической обработки (или нормализованных) могут применяться электроды марок ОММ-5, ЦН-7, УОНИ 13/45. Они обеспечивают твердость наплавленного металла НВ 200...242. Для дета­лей из сталей среднеуглеродистых и углеродистых, прошедших норма­лизацию, могут применяться электроды марок Т590, Т620,12КН-Л ИВТ. Эти электроды обеспечивают высокую твердость наплавленного слоя без последующей термообработки наплавленной детали (HRC52-56).

При наплавке в углекислом газе нужно учитывать потерю легирую­щих элементов за счет их окисления образующимся кислородом. В слу­чае наплавки в инертных газах (или их смесях) легирование осуществ­ляется за счет применения проволок сплошного сечения (либо порошковых проволок), а также дополнительных проволок (вводимых в дуговое пространство либо укладываемых на наплавляемый металл), порошков или паст нужного состава.

На проволоку сплошного сечения существует ГОСТ 10543-75. Он содержит 30 марок проволок для наплавки различного химического состава и назначения. Наплавляемый металл этими проволоками име­ет разную твердость в соответствии с требованиями эксплуатации (табл. 10.1). В странах Западной Европы (в частности, в Германии) су­ществует гораздо больше марок проволоки для наплавки (в том числе и порошковых), обеспечивающих широкий спектр их применения в раз­личных отраслях промышленности.

В этом случае в проволоке (или порошке) часто находится большое количество углерода в виде карбида, что наряду (иногда) с широким ком­плексом других легирующих приводит к усложнению технологии наплав­ки применением сопутствующего подогрева и последующей после наплав­ки термообработки (закалкой с отпуском либо отпуском - в зависимости от химического состава наплавки и основного материала детали). Так, применяемая для наплавки гребных винтов и валов морских судов про­волока Нп-30Х10Г10Т дает твердость наплавленного металла НВ

200.. .220 и не требует последующей термической обработки, а проволока Нп-40Х2Г2М применяется для наплавки деталей машин, работающих с динамическими нагрузками (коленчатые валы и др.), дает твердость наплавленного металла HRC40-50 после закалки.

20 Заказ № 1398

При плазменной наплавке появляется возможность достаточно ши­роко регулировать химический состав наплавленного металла путем применения специальных плазмотронов; здесь наплавка производится мелким металлическим порошком нужного состава, вдуваемого в плаз­му. Обычно доля участия основного металла в металле наплавки в этом случае минимальна.

При применении любых способов дуговой наплавки, особенно про­волоками круглого сечения, для получения нужного состава наплавлен­ного металла долю участия основного металла уо в металле наплавки следует ограничивать. Это можно сделать, задавая необходимое пере­крытие валиков при однодуговой наплавке, что особенно важно при первом слое многослойной наплавки. При ручной наплавке отношение

— * 0.35 , а при автоматической наплавке под флюсом — « 0.4 - 0.5. При

b т b

ленточной наплавке отношение — заметно уменьшается (рис. 10.2).

b

а)

6)

Для наплавки в каждом конкретном случае рекомендуется отрабаты­вать оптимальные режимы, особенно тогда, когда после наплавки необ­ходима механическая обработка поверхности. Здесь следует стремиться к выбору жестких режимов, которые обеспечивают хорошее формирова­ние с припуском на механическую обработку 1,5... 2,0 м. Особенно важна оптимизация режимов при наплавке тел вращения малого диаметра. Для избежания «ухода» ванны режимы должны быть ограничены по току, а электрод смещен с зенита навстречу вращению.

При наплавке больших по размеру плоских поверхностей целесооб­разно применять многоэлектродные автоматы или ленточные электро­ды. При плазменной наплавке часто применяют тонкую токоведущую проволоку в качестве присадки, что обеспечивает минимальное проплав­ление. Это особенно ценно при наплавке меди и ее сплавов, а также аус­тенитных сталей на низкоуглеродистые и низколегированные стали.

В качестве примеров применения плазменных способов наплавки можно привести восстановление изношенных канавок под компресси­онные кольца поршней из алюминиевых сплавов судовых дизелей с применением композиционных проволок. Интересен процесс плазмен­ной наплавки восстановления посадочных поверхностей втулок цилин­дров дизелей применением бронз Бр. АМц9-2 и Бр. АМцЗ-1.

Следует отметить, что для всех часто применяемых в промышлен­ности способов наплавки (а их практически столько, сколько и спосо­бов сварки) для конкретных составов наплавочных материалов, мате­риала и конфигурации наплавляемой детали следует выбирать оптимальные режимы наплавки при принятом способе.

Существуют менее распространенные способы наплавки. Находит применение способ вибродуговой наплавки, при котором механически подающийся тонкий электрод (проволока диаметром 1,5...2,0 мм) спе­циальным устройством подвергается вибрации с частотой 30... 100 1/с с амплитудой 0,5...1,0 мм. Режим подбирается так, чтобы наплавка про­исходила с периодическими короткими замыканиями. Наплавка про­изводится в среде охлаждаемой жидкости, что уменьшает деформации и увеличивает твердость наплавленного слоя. Способ хорош для наплав­ки цилиндрических изделий малого диаметра. Существуют способы наплавки в вакууме тонким электродом, они часто применяются, на­пример, при наплавке тарелок клапанов двигателей внутреннего сгора­ния.

Иногда находят применение способы наплавки лежачим электродом. Процесс наплавки здесь осуществляется перемещением дуги, расплав­ляющей металл электрода, и оплавлением пластины (детали). Доволь­но часто применяется электродуговая наплавка меди, бронзы, латуни на поверхность стальных деталей. Затруднения, возникающие при та­кой наплавке, связаны с высоким сродством меди к кислороду, низкой температурой плавления меди, значительным поглощением газов медью и различными величинами коэффициентов теплопроводности и линейного расширения.

Одним из неприятных моментов, возникающим при наплавке меди и ее сплавов на сталь, является образование в стали, под слоем меди, трещин, которые заполняются расплавом меди (или ее сплавов).

Объясняют появление этого дефекта расклинивающим действием жидкой меди, проникающей в микронадрывы по границам зерен сталь­ной детали при одновременном действии термических напряжений ра­стяжения.

При наплавке меди на низкоуглеродистые и низколегированные стали размер этих трещин и их количество невелики; однако при на­плавке на аустенитные стали их число и размеры возрастают. Для уменьшения опасности возникновения в стали таких трещин реко­мендуется вести наплавку на минимальной погонной энергии. Для оптимизации условий наплавки меди на сталь необходимо, чтобы поверхность стальной детали не расплавлялась. Она должна хорошо смачиваться (температура ее нагрева не должна превышать 1100 °С), а длительность контакта расплавленной меди со сталью при этой тем­пературе должна быть не более 0,01 ...0,015 с, что приводит к резкому уменьшению содержания железа в диффузионной прослойке. Для наплавки меди на сталь применяют дугу, горящую в аргоне, а также сварку под плавлеными и керамическими флюсами. Эффективным способом наплавки бронзы является наплавка под активными кера­мическим и флюсами.