Наплавку защитных поверхностных слоев производят в основном методом газопламенной наплавки для повышения износостойкости и жаропрочности деталей, работающих в условиях больших нагрузок, высоких температур и в агрессивных средах.
Наплавку производят сплошными проволочными, ленточными электродами или прутками, покрытыми обмазкой, либо в сварочную ванну дополнительно вводят специальные флюсы. Эти флюсы содержат уже в себе легирующие элементы, необходимые для получения заданных свойств наплавленного слоя.
Метод наплавки представляет собой плавление и дальнейшую кристаллизацию на поверхности обрабатываемого изделия присадочного материала. При этом происходит частичное оплавление поверхности детали, образование ванн, в которых и протекает кристаллизация, затем на поверхности детали выделяют две зоны: зону сплавления и зону термического влияния.
В зоне сплавления происходит перемешивание присадочного материала и металла основы. Зона термического влияния представляет собой участок, примыкающий к сварочной ванне, в пределах которого в результате разогрева произошли структурные превращения.
Наплавка позволяет экономить дорогостоящие материалы для изготовления деталей, её производят различными металлами и сплавами: стали, чугуны, цветные сплавы и др.
Хромистые стали, характеризующиеся высокой прочностью и коррозионной стойкостью в ряде агрессивных сред, применяются для наплавки деталей, подвергающихся коррозионно-металлическому, коррозионно-абразивному, газо- и гидроабразивному изнашиванию.
Хромоникелевые аустенитные стали с высокой стойкостью против коррозии и низкой твердостью применяются при наплавке деталей, работающих в агрессивных средах при малых механических воздействиях.
Дисперсионно-твердеющие стали наплавляют на поверхность вырубных, прошивных и разделительных штампов со сложной гравюрой рабочей поверхности.
Высокохромистые чугуны, никелевые и кобальтовые сплавы применяются для защиты от абразивного изнашивания в агрессивных средах.
Медь и медные сплавы применяются для наплавки деталей, работающих в условиях интенсивного абразивного изнашивания, ударных нагрузок, повышенных температур и в агрессивных средах (электрические контакты, детали судов, работающих в условиях морской воды и кавитации и т. п.).
Твердые сплавы на основе вольфрама используются для создания особо износостойких наплавочных покрытий, работающих в условиях абразивного износа с ударными нагрузками.
Порошковые угольно-металлические смеси применяют для восстановления изношенных поверхностей деталей, работающих в условиях умеренных ударных нагрузок.
Ручная электродуговая наплавка
Ручную наплавку (рис. 1) применяют при восстановлении изношенных поверхностей деталей небольших размеров и для восстановления гладких и резьбовых отверстий диаметром менее 25 мм.
При ручной электродуговой сварке можно пользоваться постоянным и переменным током. Во время сварки постоянным током дуга горит более устойчиво, причем на положительном полюсе выделяется больше тепла (Q=43%, температура t=4200℃), чем на отрицательном (Q=36%, t=3500℃).
Рис. 1. Схема ручной электродуговой сварки и наплавки:
1 – источник питания; 2 – вольтметр; 3 – амперметр; 4 – сварочные кабели;
5 – электродный зажим; 6 – сварочная дуга; 7 – электрододержатель;
8 – покрытый электрод; 9 – наплавленный металл; 10 – основной металл
Если необходимо при сварке увеличить глубину проплавления детали, то сварку ведут на прямой полярности, подключая деталь к положительному полюсу. Тонкие детали из среднеуглеродистых и высоколегированных сталей сваривают при обратной полярности, подключая деталь к отрицательному полюсу.
При сварке переменным током на электроде и детали выделяется примерно одинаковое количество тепла. В этом случае фазовый провод с электродом, нулевой – с деталью. В качестве электродов при ручной сварке и наплавке применяют стальной стержень с покрытием.
Для дуговой сварки и наплавки используют сварочные трансформаторы. Для ручной сварки, наплавки и резки металлов используют трансформаторы: ТС-300, ТС-55, ТД-300, ТД- 500, ОСТА-350, где цифрой обозначают номинальную силу сварочного тока (в амперах).
Источники постоянного тока делятся на сварочные выпрямители ВДГ- 301, ВДГ-302, сварочные преобразователи и агрегаты ПСО-300, ПС-500, состоящие из электродвигателя переменного и генератора постоянного тока.
Качество сварки и наплавки в большой степени зависит от режима, который устанавливается в зависимости от размеров и материала восстанавливаемой детали. Ключевыми пунктами режима сварки и наплавки являются диаметр электрода и сила сварочного тока, а при применении постоянного тока еще и полярность.
Сварочные работы характеризуются высокой производительностью, низкой себестоимостью и простой технологией. Недостатки данного процесса:
- нарушение термической обработки и структуры металла;
- снижение усталостной прочности деталей;
- появление местных напряжений, приводящих к возникновению трещин и короблению деталей;
- выгорание составных частей присадочного материала.
Наплавка цилиндрических поверхностей деталей
Большинство восстанавливаемых поверхностей деталей являются телами вращения.
Наплавку тел вращения вручную штучными электродами или полуавтоматом открытой дугой выполняют отдельными валиками вдоль образующей или круговыми валиками. В первом случае ось детали располагают горизонтально (рис. 2), а во втором – вертикально. Наплавка отдельными валиками требует прерывания процесса и вызывает деформацию детали из-за несимметричного нагрева. Для предупреждения коробления необходимо наплавлять валики на диаметрально противоположные стороны детали.
Рис. 2. Наплавка тел вращения широкими валиками
При механизированных способах наплавки тела вращения лучше всего наплавлять по винтовой линии или кольцевыми валиками (рис. 3). Наплавку по винтовой линии рекомендуется применять на деталях небольшого диаметра (менее 100мм).
Рис. 3. Наплавка тел вращения:
а – по винтовой линии; б – кольцевыми валиками с прерывистым смещением на шаг
Шаг наплавки зависит от способа наплавки, диаметра детали, диаметра электродной проволоки, скорости подачи проволоки. Величина шага 12 мм/об. При выборе шага наплавки следует обеспечивать такое наложение валиков, при котором каждый последующий валик должен перекрывать предыдущий на 1/2‒1/3 его ширины.
Снижение шага приводит к увеличению толщины наплавленного за один проход слоя, снижению глубины проплавления основного металла и получению более гладкой наплавленной поверхности. При маленьком шаге (менее 0,5 ширины валика) возможно образование несплавлений, а также заклинивание шлаковой корки и образование шлаковых включений.
Автоматическая наплавка под слоем флюса
В производстве широко применяют способы механизированной и автоматизированной наплавки и сварки под слоем флюса при производстве ремонтно-восстановительных работ. Протекание процесса происходит по следующим этапам:
- в зону горения дуги подают сыпучий флюс, состоящий из крупиц (зерен).
- флюс расплавляется, образуя вокруг дуги эластичную оболочку, которая надежно защищает расплавленный металл от воздействия кислорода и азота (рис. 4).
- при перемещении дуги жидкий металл твердеет, флюс образует над расплавленной поверхностью металла ломкую шлаковую корку, которая обеспечивает получение более пластичного металла.
Рис. 4. Схема автоматической наплавки под слоем флюса:
1 – деталь; 2 – слой флюса; 3 – газовое пространство;
4 – бункер с флюсом; 5 – мундштук; 6 – электрод; 7 – электрическая дуга;
8 – шлаковая корка; 9 – наплавленный слой
Этот способ эффективен при наплавке слоя толщиной более 3 мм.
При наплавке применяются флюсы двух видов:
- плавящиеся и неплавящиеся;
- керамические.
Плавящиеся и неплавящиеся флюсы (АН-348А, АН-60, АН-20, АН-28, ОСУ-45) содержат шлакообразующие и стабилизирующие элементы без легирующих добавок, поэтому они не способствуют повышению прочности и износостойкости наплавленного металла. Керамические флюсы (АКН-18, КС-Х12М, КС-Х14Р, КС-Р18) содержат до 50 % легирующих добавок, что дает возможность получать наплавленный слой определенного химического состава с высокой твердостью и износостойкостью.
Этими флюсами можно восстанавливать детали без последующей термической обработки, получая соответственно твердость слоя HRC39-43, HRC48-53 или HRC60-63.
Для наплавки деталей из низкоуглеродистых и низколегированных сталей используют проволоку марок: Св-08; Св-10; Св-15; Св-10ГА; Св-08ГС. Диаметр проволоки: 2,0; 2,4; 2,5; 3,0; 3,2; 4,0; 5,0мм.
Для наплавки деталей из высокоуглеродистых и легированных сталей используют проволоку марок: Нп-60; Нп-65; Нп-80; Нп- 30ЗГСА; Нп-40Х13; Нп-30ХФА. Диаметр проволок: 1,0…2,5мм.
Кроме вышеперечисленной проволоки широко применяется порошковая проволока марок: ПП-АН120 (тип 20Х2Г2М); ПП- АН150 (тип 10Х17С5М2); ПП-125 (тип 20Х15СГРТ). Диаметр проволок: 1,6…3,5мм.
Наплавка производится на стендах, смонтированных на токарных станках или на специальных установках. Основным агрегатом таких стендов являются наплавочные головки А-580М, А-348МК, А-874Н, А-1409, закрепленные на суппорте токарного станка.
Наплавка в среде углекислого газа
При этой наплавке углекислый газ подается в зону сварки из специальных горелок, установленных на автоматических сварочных головках, предназначенных для сварки в среде углекислого газа. Из баллона по трубке (рис. 5) углекислый газ поступает в сопло горелки 3, прикрепленной к мундштуку 1.
Углекислый газ оттесняет воздух от наконечника 4 и электрода 2 и защищает зону сварки от воздействия азота и кислорода.
Рис. 5. Схема автоматической наплавки в среде углекислого газа:
1 – мундштук; 2 – электрод; 3 – горелка; 4 – наконечник; 5 – сопло;
6 – электрическая дуга; 7 – сварочная ванна; 8 – наплавленный металл;
9 – наплавляемая деталь
Из-за низкой стоимости углекислого газа этот вид сварки может заменить сварку и наплавку под слоем флюса, а также ручную газовую сварку тонколистового материала.
Сварку в среде углекислого газа целесообразно применять для восстановлений деталей толщиной более 1мм в любом пространственном положении.
Наплавку в среде углекислого газа выполняют на постоянном токе обратной полярности. Тип и марку электрода выбирают в зависимости от материала восстанавливаемой детали и физико-механических свойств наплавляемого металла.
Полуавтоматическая сварка в среде углекислого газа позволяет в 3 раза увеличить производительность по сравнению с ручной сваркой. При этом не образуется шлаковая корка.
Наплавка в среде защитного газа имеет следующие достоинства: отсутствие шлаковой корки упрощает ведение процесса, возможность вести процесс в любом пространственном положении, деталь мало нагревается. Способ имеет ряд недостатков: ограниченное получение твердых и износостойких наплавленных слоев и разбрызгивание металла при сварке не дает положительных результатов из-за образования окислов и пор в металле шва.
Для устранения этих вредных явлений применяют электродные проволоки Св-08ГС, Св-10ГС, Св-18ХГСА.
Вибродуговая наплавка
Вибродуговую наплавку применяют для восстановления цилиндрических деталей с незначительным износом. Особенность этого вида наплавки заключается в том, что в процессе работы электрод подвергается вибрации. Наплавлять металл можно на воздухе, в среде водяного пара, защитного газа или с подачей жидкости к месту дуговых разрядов.
Вибродуговая наплавка имеет ряд преимуществ перед другими видами наплавки:
- нагрев детали при наплавке не превышает 100℃, что почти не вызывает деформации детали и не нарушает термическую обработку близлежащих участков;
- при наплавке закаливается поверхность детали;
- слой наплавки может быть от 0,5 до 3мм на сторону в зависимости от степени износа.
Для вибродуговой наплавки используется постоянный ток, выдаваемый генератором 10 (рис. 6).
Рис. 6. Схема вибродуговой наплавки:
1 – насос; 2 – мундштук; 3 – рычаг;
4 – электромагнит; 5 – роликовый механизм; 6 – кассета с проволокой;
7 – электродвигатель; 8 – пружины; 9 – дроссель; 10 – генератор
Сила тока регулируется дросселем 9. Вибратор генератора состоит из качающегося рычага 3 и электромагнита 4, питаемого переменным током. Пружины 8 способствуют созданию устойчивых колебаний рычага.
Электродная проволока проходит через мундштук 2, закрепленный на качающемся рычаге. Автоматическая подача проволоки из кассеты 6 производится роликовым механизмом 5, приводимым в действие электродвигателем 7. В зону наплавки насосом 1 по шлангу подается охлаждающая жидкость, которая защищает металл от окисления кислородом воздуха, уменьшающая зону термического воздействия, способствует быстрому формированию шва и повышает твердость наплавленного слоя металла.
Вибрация электрода улучшает стабильность процесса в результате частых возбуждений дуговых разрядов и способствует переносу электродного материала.
Применение охлаждающей жидкости уменьшает тепловое влияние дуги на деталь, увеличивает скорость охлаждения наплавленного и основного металла и защищает расплавленный металл от взаимодействия с воздухом.
Установки для вибродуговой наплавки цилиндрических деталей в среде жидкости состоят из станка, вращающего деталь, источника питания, наплавочной головки и системы подачи жидкости. Вибрация электродной проволоки с амплитудой колебаний до 3 мм при частоте 50–100 кол/с создается с помощью электромагнитных или механических вибраторов.
При вибродуговой наплавке в качестве источников питания применяют генераторы постоянного тока типа; АДН-500/250, АДН-1000/500 и сварочные генераторы типа ПС-300 и др. (выпрямители ВС-300 и ВС-600, преобразователи ПД-305 и ПСГ-500).
Наплавляемую деталь устанавливают в центрах станка или же один конец закрепляют в патроне передней бабки. В последнем случае устраняется возможность деформации при наплавке. При установке длинных деталей применяют люнеты.
Плазменная наплавка
Перспективным способом восстановления деталей является метод использования тепла плазменной струи, которая представляет собой поток ионизированных частиц газа, обладающих большой энергией (рис. 7).
Для получения плазменной струи между катодом и анодом возбуждают электрическую дугу от источника постоянного тока. Электрическая дуга, горящая между катодом и анодом, нагревает подаваемый в плазмотрон газ до температуры электропроводности.
Рис. 7. Схема плазменной горелки прямого действия:
1 ‒ деталь; 2 ‒ сопло; 3 ‒ газозащитное сопло; 4 ‒ источник питания;
5 ‒ камера для плазмообразующего газа; 6 ‒ электрод
В поток нагретого газа вводят материал для наплавки. Образующиеся расплавленные частицы материала выносятся потоком горячего газа из сопла и наносятся на поверхность изделия. При разной ширине наплавляемого валика наплавку следует производить с поперечными колебаниями плазменной головки. В этом случае по всей ширине наплавляемого валика достигается постоянная температура нагрева поверхности основного металла.
Преимущество наплавки с поперечными колебаниями плазменной головки состоит в том, что наплавляемый валик при этом имеет плавный переход от наплавляемого металла к основному, что позволяет хорошо сплавлять валики между собой и с основным металлом при необходимости получения широкого слоя наплавки. Плазмообразующими газами могут служить аргон, азот, водород, гелий, кислород. В качестве защитного газа при плазменной наплавке могут применяться аргон, азот, гелий и их смеси, углекислый газ. При плазменной наплавке используют такие же наплавочные материалы, как и при электродуговой наплавке ‒ проволоку, прутки и порошки.
Газопламенное напыление
Газопламенное напыление - наиболее доступный из методов газотермического напыления. Металлический, полимерный порошковый, проволочный, шнуровой материал подается в пламя ацетилен-кислородной либо пропан-кислородной горелки, расплавляется и переносится сжатым воздухом на поверхность изделия, где, остывая, формирует покрытие (рис. 8).
Рис. 8. Схема устройства проволочной газопламенной распылительной головки:
1 – электродная проволока; 2 – наплавляемая деталь
Для восстановления деталей применяют 3 вида газопламенного напыления: без оплавления, с последующим оплавлением, с одновременным оплавлением (газопорошковая наплавка).
Напыление без оплавления служит для восстановления деталей, не испытывающих деформации, высокую температуру и знакопеременные нагрузки при работе. Покрытия без оплавления наносят при восстановлении наружных и внутренних цилиндрических поверхностей подвижных и неподвижных соединений при невысоких требованиях к прочности соединения с основным материалом.
Оплавление после напыления выполняют газокислородным пламенем в индукторе для покрытий толщиной 0,5-1,3 мм. Нанесенное покрытие оплавляют при восстановлении наружных и внутренних цилиндрических поверхностей подвижных и неподвижных соединений при повышенных требованиях к износостойкости и прочности соединения с основным материалом. Газопламенное напыление с одновременным оплавлением покрытия (газопорошковая наплавка) используют для восстановления деталей из стали и чугуна при износе на сторону 1,3-1,8 мм.
С помощью газопламенного напыления наносят износостойкие и коррозионностойкие покрытия из железных, никелевых, медных, алюминиевых, цинковых сплавов, электропроводные покрытия, электроизоляционные покрытия, декоративные покрытия. Покрытия, полученные газопламенным напылением шеек валов шнуровыми материалами, показывают высокие эксплуатационные свойства.
При газопламенном наплавлении применяют проволоку диаметром 3-3,5 мм из следующих материалов: нержавеющая сталь марок 20X13, 40X13 и т. д., углеродистые конструкционные стали, алюминий, латунь, бронза, медь, баббит, молибден, цинк, олово, свинец.
К основным достоинствам газопламенного напыления покрытий относятся:
- получение покрытий из большинства материалов, плавящихся при температуре до 2800℃ без разложения;
- малое тепловое воздействие на подложку, что позволяет наносить покрытия на поверхность широкого круга материалов, включая пластмассы, дерево, картон;
- возможность регулирования газового режима работы горелки позволяет управлять химическим составом среды;
- нанесение покрытий на изделия практически без ограничения их размеров при наличии необходимых средств механизации и обеспечении правил техники безопасности;
- относительно низкий уровень шума и излучений;
- возможность во многих случаях нанесения покрытий при любом пространственном положении аппарата;
- легкость и простота обслуживания оборудования;
- гибкость технологии и мобильность оборудования;
- возможность автоматизации процесса.
К недостаткам газопламенного метода напыления относятся:
- недостаточная прочность сцепления покрытий с основой;
- наличие пористости, которая препятствует применению покрытий в коррозионных средах без дополнительной обработки;
- низкий коэффициент использования энергии газопламенной струи на нагрев порошка;
- невозможность нанесения покрытий из тугоплавких материалов с температурой плавления более 2800℃.
Газопорошковая наплавка
Один из способов формирования покрытий, за счет диффузионных процессов, происходящих между поверхностью детали и расплавленным материалом порошка в высокотемпературном пламени ацетилена и кислорода.
Процесс восстановления деталей методом газопорошковой наплавки заключается в нанесении за счет инжекции кислородом на подготовленную поверхность частиц самофлюсующегося порошкового сплава, струей горючих газов ацетиленокислородного пламени (рис. 9). Нагретые до пластичного состояния частицы порошка соударяются с поверхностью детали, сплавляются между собой и формируют на ней покрытие за счет тепловой и кинетической энергии, которая определяется температурой и скоростью этих частиц.
Рис. 9. Схема устройства порошковой газопламенной распылительной головки:
1 – напыляемый порошок; 2 – сжатый воздух; 3 – горючая смесь
Газопорошковой наплавке подвергаются детали, изготовленные из чугуна и стали с местными износами независимо от формы поверхности. Данный способ позволяет восстанавливать первоначальные размеры деталей и увеличивает их износостойкость в 3–5 раз.
При наплавке используют порошковые самофлюсующиеся материалы зернистостью 40‒100 мкм на хромборникелевой основе с добавками кремния. Наличие в порошках этих элементов ведет к образованию твердых карбидов хрома и флюса, очищающего поверхность наплавляемого металла от окислов в виде стеклообразных шлаков. Порошковый материал для конкретной детали выбирается с учетом условий ее работы и необходимой твердости восстанавливаемой поверхности. При использовании порошковых материалов возможно получение широкого диапазона твердости восстанавливаемой поверхности без последующей термообработки.
Благодаря пористости покрытия происходит пропитывание его верхнего слоя маслом, что значительно улучшает условия работы сопрягаемых деталей. Так как само покрытие имеет низкий коэффициент трения, то в несколько раз снижается износ как самой детали, имеющей покрытие, так и детали, работающей с ней в сопряжении.
Достоинства процесса:
- возможность наплавки деталей сложной формы;
- использование порошка позволяет наносить покрытия с минимальными припусками на механическую обработку;
- низкая стоимость оборудования.
Недостатки процесса:
- высокие требования к качеству и грануляционному составу самофлюсующихся порошков;
- некачественный материал может привести к повышенной пористости покрытия;
- невысокая адгезия покрытия и основного материала;
- высокая трудоемкость подготовки поверхности детали к восстановлению.
Как вам статья? Все вопросы и пожелания направляйте сюда. Хотел вам порекомендовать заглянуть на наш YouTube канал. Если вам понадобится помощь с любыми графическими работами: чертежи, схемы электрические, печатные платы или 3D-модели добро пожаловать, вы по адресу пришли!