НАПЛАВКА И НАПЫЛЕНИЕ

Процессы наплавки занимают важное место в сварочном произ­водстве при ремонте и восстановлении первоначальных размеров

изношенных деталей и при изготовлении новых изделий для полу­чения поверхностных слоев, обладающих повышенной твёрдостью, износостойкостью, жаропрочностью, кислотостойкостью и другими специальными свойствами.

Наплавку осуществляют нанесением расплавленного металла на поверхность изделия, нагретую до оплавления или до температуры надёжного смачивания жидким наплавляемым металлом. В резуль­тате взаимодействия расплавленного металла с оплавленной (или достаточно подогретой) поверхностью детали между ними образу­ются металлические связи.

Толщина наплавленного металла может быть различной: от 0,5 до 10 мм. Такие слои можно наносить на наружные поверхности деталей, например валов, валков прокатного оборудования (рис. 3.78, а), или внутренние поверхности изделий - корпусов химических и энергети­ческих реакторов, оборудования химических производств (рис. 3.78, б).

Наплавка значительно увеличивает срок службы деталей и сокра­щает расходы дефицитных материалов на их изготовление. Часто ока­зывается целесообразным всё изделие изготавливать из более де­шёвого и достаточно работоспособного металла для конкретных ус­ловий эксплуатации, и только на поверхностях, работающих в осо­бых условиях, иметь необходимый по толщине слой другого матери­ала. В этом случае для изготовления деталей обычно применяют от­носительно простые и дешёвые материалы (например, низкоуглеро­дистые стали), а на рабочие поверхности наплавляют, например, брон­зу, заменяя целиком бронзовую деталь. При восстановлении (ремонте) де­талей наплавку выполняют тем же или близким по составу металлом, из кото­рого изготовлено изделие. Если при наплавке однородных металлов процесс получения доброкачественно­го соединения между наплавленным и основным металлом не вызыва­ет затруднений, то при наплавке материалов, значительно отличающихся по химическому составу от материала основы, задача получения такого соединения значительно осложняется и может перерасти в проблему.

При наплавке поверхностных слоев с заданными свойствами дол­жен выполняться ряд требований.

Таким требованием является прежде всего минимальное разбав­ление наплавленного слоя основным металлом, расплавленным 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 (рис. 3.79). Для умень­шения доли основного металла в наплавленном слое наплавку сле­дует проводить с небольшим шагом.

При наплавке необходимо обеспечить минимальную зону термичес­кого влияния и минимальные остаточные напряжения и деформации.

При наплавке разнородных материалов (например, высоколеги­рованных мартенситных, аустенитных сталей на низкоуглеродистые) возможно образование, например, хрупких прослоек промежуточ­ного состава, зон с выделением твёрдых и малопластичных интерметаллидов, зон с охрупченными границами зёрен.

При наличии таких прослоек возможны хрупкие разрушения - об­разование трещин, отслаивание наплавленного металла от основного ещё в процессе изготовления изделия. В этом случае нужно применять усложнённую технологию: предварительно подбирать и наплавлять подслой (промежуточный слой) из другого металла, который образует твёрдые растворы как с ос­новным, так и с наплавляемыми металлами.

Рис. 3.78. Схемы наплавки в защитном газе цилиндрических наружных (а) и внутренних (б) поверхностей .

Рис. 3.79. Влияние шага на­плавки на долю основного металла в поверхностном слое:

а - большой шаг; б-малый шаг; т - шаг наплавки; b - ширина валика

Рис. 3.80. Электрошлаковая наплавка поверхностей: а- плоской; б- цилиндрической; е- конической; / - наплавляемая деталь; 2 - наплавленный слой; 3 ~ формирующее устройство; 4 ~ электроды; 5 -токоподвод; 6 - жидкий шлак

Иногда необходимость подслоя может вызываться и другими при­чинами. Например, при эксплуатации наплавленной детали в усло­виях частых теплосмен из-за неодинаковых коэффициентов линей­ного расширения основного металла и наплавленного металла в зоне сплавления могут возникать большие термические напряжения, вы­зывающие после воздействия определенного числа циклов разруше­ния в результате термической усталости. В этом случае целесообраз­но предварительно на основной металл наплавлять подслой с про­межуточным коэффициентом линейного расширения.

В качестве источника тепла можно использовать ацетилено-кисло-родное пламя (при этом процесс наплавки будет аналогичен процессу газовой сварки, см. рис. 2.9, а); теплоту, выделяющуюся при прохож­дении электрического тока по расплавленному шлаку (рис. 3.80); но наиболее часто применяют электрическую дугу (рис. 3.81).

В качестве материалов для наплавки используют порошки, по­крытые электроды, порошковые проволоки, проволоку и ленту сплошного сечения, литые прутки. Для защиты нагретого и расплав­ленного металла от взаимодействия с воздухом используют флюсы и защитные газы (активные и инертные).

Качество самого наплавленного слоя и зоны его соединения с ос­новным материалом в ряде случаев может быть повышено в результате термической обработки (предварительной, сопутствующей, по­следующей). Предварительный или сопутствующий нагрев приме­няют, например, при наплавке сталей, склонных к закалке и образо­ванию трещин; при этом снижается вероятность получения хрупких подкаленных зон в металле детали или в хрупком наплавленном слое. Последующая термообработка обычно применяется для снижения внутренних напряжений и выравнивания микроструктуры. Когда для металла или зоны соединения нежелательно длительное пребыва­ние при высоких температурах, рекомендуется интенсифицировать охлаждение наплавляемой детали.

Рис. 3.81. Схемы основных способов ду­говой наплавки:

а — угольным (графитовым) электродом / с расплавлением сыпучего зернистого на­плавочного сплава 2; б - ручной дуговой с покрытым электродом / и с легирующим покрытием 2; в- неплавящимся вольфра­мовым электродом / в защитных инерт­ных газах с подаваемым в дугу присадочным прутком 2; г — плавящимся электродом проволокой 1 в защитных (инертных, активных) газах; д - ме­ханизированная (автоматическая, полуавтоматическая) дуговая с плавящейся электродной (обычно легированной) проволокой / под флюсом 2; е - пла­вящейся лентой / катаной, литой или прессованной из порошков в защит­ных газах или под флюсом; ж - расплавлением плазменной струёй плаз­мотрона / предварительно наложенного литого или спечённого из порош­ков кольца 2 наплавочного материала; 3 - наплавляемое изделие; 4 - на­плавленный металл.

Таким образом, при наплавке в каждом конкретном случае необ­ходимо комплексно решать ряд сложных вопросов: выбор материа­ла обеспечивающего соответствующие условиям эксплуатации свой­ства; возможность наплавки этого материала непосредственно на основной металл детали или подбор материала для наплавки под­слоя; выбор способа и режима наплавки; выбор термического режи­ма для выполнения наплавки.

Для защиты поверхностей детали от коррозии, упрочнения по­верхности, защиты от абразивного износа, для восстановления из­ношенных деталей в ряде случаев применяют напыление (металлиза­цию). При напылении основной металл не расплавляется, и толщина наносимого слоя значительно меньше толщины слоя, получаемого на­плавкой: составляет десятые доли миллиметра (обычно 0,2-0,3 мм).

Процесс напыления протекает следующим образом. В распыли­тельную головку металлизационного аппарата непрерывно подаётся металлическая проволока напыляемого металла или порошок неме­таллического материала, которые расплавляются ацетилено-кисло-родным пламенем, или электрической дугой косвенного действия, горящей между двумя проволоками - электродами, или сжатой ду­гой при плазменном напылении.

Расплавленный металл струёй продуктов сгорания и воздуха, вы­ходящей из сопла головки со скоростью до 200 м/с, распыляется и в виде частиц размером 10-150 мкм наносится на поверхность метал­лизируемой детали (рис. 3.82).

Рис. 3.82. Схема работы распылительной головки газометаллизационного

аппарата:

1 - сопло наружное для подачи воздуха; 2 - мундштук для подачи газа; 3 -

проволока; 4 - сопло для подачи проволоки; 5 - деталь

Рис. 3.83. Общий вид электродугового металлизатора

Вследствие большой скорости части­цы достигают поверхности детали в жид­ком или пластическом состоянии, внедря­ются в эту поверхность и прочно сцеп­ляются с нею, образуя металл изацион-ный (напылённый) слой.

Общий вид электродугового металли-затора и ручной электродуговой писто­лет показаны на рис. 3.83.

В настоящее время в технике наибо­лее широко используется плазменное на­пыление, преимущества которого следу­ющие: возможность напыления туго­плавких материалов, высокая производи­тельность при напылении керамических

материалов, возможность напыления порошковых материалов. При плазменном напылении поверхность не следует перегревать выше 300 °С, так как при этом возникают внутренние напряжения, спо­собные привести к разрушению покрытия. Для предупреждения пе­регрева поверхность около места напыления охлаждают сжатым воз­духом, поток которого направляют на покрытие с помощью допол­нительного кольцевого сопла, окружающего мундштук горелки.

Плазменное покрытие применяют, как правило, для нанесения жа­ропрочных покрытий в ракетной технике. Для повышения прочнос­ти сцепления керамических покрытий с основным металлом их на­пыляют на подслой. При напылении оксида алюминия в качестве материала-подслоя используют нихром. Плазменные покрытия ис­пользуют также в качестве электроизоляционных, например при из­готовлении МГД-генераторов, теплообменников, тензодатчиков, дис­ков электропил.