ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ НАПЛАВКИ СЛОЕВ С ОСОБЫМИ СВОЙСТВАМИ

14.1. ФОРМИРОВАНИЕ СВОЙСТВ НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА

Наплавка - нанесение с помощью сварки плавлением слоя металла на поверхность изделия. Процессы наплавки занимают важное место в сварочной технике при ремонте и восстановлении первоначальных (не­обходимых) размеров и свойств изделий (деталей), изготовлении новых изделий в целях обеспечения надлежащих свойств конкретных поверхно­стей и т.п.

В первом случае (при восстановлении, ремонте) наплавку выполня­ют примерно тем же металлом, из которого изготовлено изделие, однако такое решение не всегда целесообразно. Иногда при изготовлении новых деталей (и даже при ремонте) целесообразней на поверхности получить металл, отличающийся от металла детали.

Действительно, в ряде случаев условия эксплуатации поверхност­ных слоев значительно отличаются от условий эксплуатации всего остального материала изделия. Так, например, если деталь (изделие) должна определять общую прочность, которая зависит от свойств метал­ла и его сечения, то поверхностные слои часто дополнительно должны работать на абразивный или абразивно-ударный износ (направляющие станин, зубья ковшей землеройных орудий, желоба валков канатно-подъемных устройств и др.). Условия работы могут усложняться повы­шенной температурой, эрозионно-коррозионным воздействием окру­жающей среды (морской воды, различных реагентов в химических про­изводствах и др.). В качестве примера можно указать клапаны двигате­лей, уплотнительные поверхности задвижек, поверхности валков горячей прокатки и т.п.

Иногда такие детали и изделия целиком изготовляют из металла, ко­торый обеспечивает и требования к эксплуатационной надежности рабо­ты его поверхностей. Однако это не всегда наилучшее и, как правило, не экономичное решение. Часто оказывается целесообразней все изделие изготовлять из более дешевого и достаточно работоспособного металла для конкретных условий эксплуатации и только на поверхностях, рабо­тающих в особых условиях, иметь необходимый по толщине слой друго­го материала. Иногда это достигается применением биметаллов (низко-

ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ НАПЛАВКИ СЛОЕВ

ФОРМИРОВАНИЕ СВОЙСТВ НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА 521

углеродистая сталь + коррозионно-стойкая сталь; сталь + титан и др.), а также поверхностным упрочнением (поверхностной закалкой, электроис­кровой обработкой и др.), нанесением тонких поверхностных слоев (ме­таллизацией, напылением и пр.) или наплавкой слоев значительной тол­щины на поверхность.

В последнем случае для изготовления деталей обычно применяют от­носительно простые стали (например, низкоуглеродистые), а на рабочие поверхности наплавляют, например, бронзу, заменяя тем самым целиком бронзовую деталь, кислотостойкую сталь (для работы в условиях воздей­ствия соответствующей химически агрессивной среды) или материал, хо­рошо работающий на истирание (при наличии трения с износом) и т.п.

Такие слои можно наносить на наружные поверхности деталей (на­пример, валы, валки прокатного оборудования, рельсовые крестовины и др.) или внутренние поверхности - обычно цилиндрических изделий (корпуса химических и энергетических реакторов, оборудование химиче­ских производств и др.).

Наплавку осуществляют нанесением расплавленного металла на по­верхность изделия, нагретую до оплавления или до температуры надеж­ного смачивания жидким наплавленным металлом. Наплавленный слой образует одно целое с основным металлом (металлическая связь). При этом, как правило (кроме некоторых случаев ремонтной наплавки, при­меняемой для восстановления исходных размеров деталей), химический состав наплавленного слоя может значительно отличаться от состава ос­новного металла.

Толщина наплавленного металла, образованного одним или не­сколькими слоями, может быть различной: 0,5 ... 10 мм и более.

Необходимые свойства металла наплавленного слоя зависят от его химического состава, который, в свою очередь, определяется составом основного и дополнительного металлов и долями их участия в образова­нии шва. Влияние разбавления слоев основным металлом тем меньше, чем меньше доля основного металла в формировании слоя (g₀). В связи с этим для случаев (а их большинство), когда желательно иметь в наплав­ленном слое состав, максимально приближающийся к составу наплав­ляемого металла, необходимо стремиться к минимальному проплавлению основного металла, т.е. к уменьшению g₀.

При многослойной наплавке состав каждого слоя различен, так как различна доля участия основного металла (на который наплавляют) в образовании наплавленного слоя. Если при наплавке 1-го слоя основной металл непосредственно участвует в формировании шва, то при наплавке 2-го и последующих слоев он участвует косвенно, определяя состав пре-

дыдущих слоев. При наплавке большого числа слоев при некоторых ус­ловиях наплавки состав металла поверхностного слоя может быть иден­тичен дополнительному наплавляемому металлу.

Доля участия основного металла в формировании наплавленного металла зависит как от принятого способа, так и от режима наплавки.

Различные дуговые методы наплавки отличаются друг от друга теп­ловой подготовкой основного и наплавляемого металлов. Так, например, при плазменной наплавке с токоведущей присадочной проволокой тепло-вложение преимущественно осуществляют в присадочную проволоку, основной металл подогревается достигающими его поверхности осты­вающими потоками плазмы дуги и теплотой перегретого жидкого на­плавляемого металла. Противление основного металла в этом случае может быть заметно уменьшено.

Наоборот, при дуге прямого действия, когда на основном металле располагается катодное или анодное пятно дуги, ограничить расплавле­ние основного металла значительно труднее, особенно при значительном сосредоточении дугового разряда (уменьшении диаметра плавящегося электрода, увеличении плотности тока в электроде). Рассредоточение тепловложения в основной металл, например при ленточном электроде, когда дуга перемещается по торцу ленты от одного конца к другому и иногда возникает одновременно в нескольких местах, может заметно снизить долю расплавляемого основного металла.

При ручной дуговой наплавке покрытыми электродами, а особенно при механизированной наплавке плавящейся электродной проволокой в среде защитных газов или под флюсом, доля основного металла в на­плавленном слое g₀, как правило, не может быть, без опасности получе­ния непровара, снижена менее чем до 0,2.

Сопоставление долей участия основного металла в 1-м слое приме­нительно к наплавке хромоникелевой аустенитной стали на низкоуглеро­дистую различными способами наплавки на обычных режимах приведе­но в виде диаграммы на рис. 14.1.

Естественно, что g₀ зависит также от свойств основного и наплав­ляемого металлов, в частности от их температуры плавления. Например, дуговая наплавка покрытыми электродами, обеспечивающими наплав­ленный металл типа алюминиевой бронзы (T_пл = 1000 °С), на низкоугле­родистую сталь дает меньшую долю g₀, чем показано на рис. 14.1 для того же способа наплавки, но высоколегированной стали (Т_пл = 1420 °С). Определенную роль в этом снижении g₀ играет и увеличение коэффици­ента наплавки a_н (г/А • ч), который при бронзовых электродах составляет ~ 18 г/(А • ч), а при электродах из высоколегированной стали ~ 13 г/(А • ч).

ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ НАПЛАВКИ СЛОЕВ

Рис. 14.1. Доля участия основного металла в первом слое наплавки

(хромоникелевая аустенитная сталь), выполненной различными способами

на обычных режимах:

1 - автоматическая под флюсом;

2 - ручная дуговая покрытыми электродами;

3 - автоматическая под флюсом с дополнительной присадочной проволокой;

4 - автоматическая под флюсом ленточным электродом; 5 - плазменной струей с токоведущей проволокой

Аналогично может влиять и применение при наплавке, выполняе­мой под флюсом или в защитных газах, электродной ленты, спрессован­ной из порошков, по сравнению с прокатной. Большее электрическое со­противление спрессованной ленты и ее меньшая теплопроводность при­водят к более быстрому ее расплавлению (большему a_н при том же, как при прокатанной ленте, режиме наплавки) и возможному уменьшению доли основного металла в наплавленном слое.

Естественно, что на долю основного металла в наплавленном слое влияет и интенсивность теплоотвода в наплавляемом изделии, который зависит от теплофизических свойств металла этого изделия, его геомет­рических размеров (в частности, толщины металла вблизи наплавляемой поверхности), а также наличия искусственного регулирования термиче­ского режима наплавляемой детали (сопутствующего наплавке подогрева или интенсификации охлаждения различными приемами). На рис. 14.2 показано влияние на величину g₀ толщины наплавляемой детали (алюми­ниевой бронзы) при наплавке монель-металла покрытыми электродами разного диаметра. При увеличении толщины детали усиливается теплоотвод и уменьшается проплавление основного металла.

Рис. 14.2. Влияние толщины детали и

режима наплавки на долю

основного металла в одиночном

валике (g₀) при наплавке медно-

никелевыми электродами на бронзу:

/ - Æ 4 мм, /_св = 140 А;

2- Æ 5 мм, /_св= 190 А;

3- Æ 6 мм, /_св, = 210 А

ФОРМИРОВАНИЕ СВОЙСТВ НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА 523

Обеспечение в наплавленном металле (особенно при однослойной наплавке) требуемого состава в некоторых случаях может потребовать использования дополнительных (присадочных электродных) металлов таких составов, при которых ухудшается их деформируемость. Поэтому оказывается невозможным из таких сплавов изготовить электродную проволоку, прокатать ленту. В этом случае наплавочные материалы мо­гут быть получены в порошкообразном либо зернообразном виде.

Использование порошков и зерен затрудняет наплавку, в частности в связи с возможным раздуванием порошков и отсутствием стабильности легирования по длине наплавки из-за сепарации частиц получить необхо­димый состав металла даже в 1-м слое (правда, в основном для неболь­шой площади наплавки на деталях малых размеров) можно наложением на наплавляемую поверхность предварительно спрессованных из порош­ков (иногда спеченных или скрепленных какой-нибудь связующей до­бавкой) наплавочных заготовок (колец и пр.) с последующим их расплав­лением и подплавлением располагающегося под заготовкой основного металла.

Для этого наиболее часто в качестве источника нагрева используют дугу с не плавящимся, обычно вольфрамовым, электродом, плазму или токи высокой частоты. При правильном подборе режима основной ме­талл, получающий подогрев за счет теплопередачи через наплавочный металл, может расплавляться ограниченно, не приводя к большим значе­ниям g₀ в наплавленном слое.

Значительно менее стабильные результаты получаются при наплав­ке зернистых твердых сплавов угольной дугой.

Схемы наиболее распространенных способов наплавки приведены на рис. 14.3.

Широкое применение в настоящее время находят плазменные мето­ды наплавки и напыления. Основные схемы плазменной наплавки пред­ставлены на рис. 14.4. Наибольшее распространение получила плазмен-но-порошковая наплавка. При плазменной наплавке обеспечивается вы­сокое качество наплавленного металла, малая глубина проплавления ос­новного металла при высокой прочности сцепления, возможность на­плавки тонких слоев.

В зависимости от условий эксплуатации поверхностных слоев раз­личных изделий требования к наплавленному слою (его химическому составу, свойствам и пр.) различны. Наибольшее распространение полу­чили наплавочные слои, которые можно классифицировать в основном по пяти группам:

ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ НАПЛАВКИ СЛОЕВ

ж)

Рис. 14.3. Схемы основных способов дуговой и электрошлаковой наплавки:

а - угольным (графитовым) электродом (/) расплавлением

слоя сыпучего зернистого наплавочного сплава (2);

6 - ручной дуговой покрытым электродом (/) с легирующим покрытием (2); в - неплавящимся вольфрамовым электродом (/) в защитных инертных газах с

подаваемым в дугу присадочным прутком (2);

г- плавящимся электродом (/) в защитных (инертных, активных) газах; д - автоматическая дуговая 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 струей плазмотрона (/),

предварительно наложенного литого или спеченного

из порошков кольца (2) наплавочного материала;

з - электрошлаковая наплавка плавящимися электродами (/)

с перемещаемым составным медным ползуном (2);

3 - наплавляемая деталь; 4 - наплавленный слой

ФОРМИРОВАНИЕ СВОЙСТВ НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА

Рис. 14.4. Схемы плазменной наплавки:

а - плазменной струей с токоведущей присадочной проволокой; б - плазменной дугой с нейтральной присадочной проволокой;

в - комбинированный (двойной) дугой одной проволокой;

г - то же, с двумя проволоками; д - горячими проволоками; е - плавящимся электродом;

ж - с внутренней подачей порошка в дугу; з - с внешней подачей порошка в дугу; / - защитное сопло;

2 - сопло плазмотрона; 3 - защитный газ; 4 - плазмообразующий газ; 5 - электрод;

6 - присадочная проволока; 7 - изделие; 8 - источник питания косвенной дуги;

9 - источник питания дуги прямого действия; 10 — трансформатор; 11 - источник питания дуги плавящегося электрода; 12 - порошок; 13 - порошок твердого сплава

ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ НАПЛАВКИ СЛОЕВ

1 - стали (углеродистые и высокоуглеродистые, хромомарганцови-стые, хромистые и высокохромистые, хромоникелевые, высоковольфра­мовые и молибденовые);

2 - специальные сплавы на основе железа (высокохромистые чугу-ны, сплавы с хромом и бором, сплавы с кобальтом, молибденом и вольф­рамом);

3 - сплавы на основе никеля и кобальта (хромоникелевые сплавы с бором и кремнием, никелевые сплавы с молибденом, кобальтовые сплавы с хромом и вольфрамом);

4 - карбидные сплавы (с карбидами вольфрама, ванадия, хрома);

5 - сплавы на медной основе (бронзы алюминиевые, оловянно-фосфористые).

Внутри каждой из этих групп имеется большое количество различ­ных вариантов составов, которые обеспечивают те или иные характери­стики, требуемые для конкретных условий эксплуатации изделия. Как правило, задача наплавки - получение достаточно однородного по тре­буемым характеристикам (техническим условиям) слоя наиболее эконо­мичными и производительными методами.

Обычно наплавляют на конструкционные углеродистые или низко-и среднелегированные стали.

При наплавке мартенситных сталей, аустенитных сталей на низко­углеродистые или низколегированные возможно образование хрупких прослоек промежуточных составов, зон с выпадением твердых и мало­пластичных интерметаллидов, зон с ослабленными границами зерен в связи с прониканием жидкого наплавляемого металла, малорастворимого в основном металле (при наплавке медных сплавов на ряд сталей).

При наличии таких прослоек возможны хрупкие разрушения (обра­зование трещин, отслаивание слоя от основного металла) еще при изго­товлении изделия. В результате часто приходится отказываться от вы­полнения наплавки одним составом наплавляемого материала (обеспечи­вающего требуемые свойства поверхности), и применять усложненную технологию - предварительно наплавлять подслой, т.е. промежуточный слой из другого наплавочного материала, который может обеспечить на­дежные свойства в зоне сплавления с основным материалом детали, а затем тот материал, который требуется на поверхности наплавленной детали по условиям ее надежной эксплуатации.

При наплавке медных сплавов на ряд сталей могут образоваться межзеренные трещины в основном металле, распространяющиеся обычно перпендикулярно границе сплавления. Применение подслоя из хромони-

ФОРМИРОВАНИЕ СВОЙСТВ НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА 527

келевой ферритно-аустенитной стали (с содержанием в структуре не ме­нее 40 % ферритной фазы) полностью исключает возникновение подоб­ных трещин при последующей наплавке на такой подслой сплавов на медной основе.

Иногда необходимость подслоя может вызываться и другими при­чинами. Например, при эксплуатации наплавленной детали в условиях частых теплосмен в результате различных значений коэффициентов ли­нейного расширения основного металла и металла первого слоя в зоне сплавления возникают иногда очень большие термические напряжения, вызывающие после воздействия определенного числа циклов разрушения в результате термической усталости.

В целях уменьшения локализации напряжений целесообразно пред­варительно на основной металл наплавлять подслой с промежуточным значением коэффициента линейного расширения. Такой подслой ограни­чивает развитие диффузионных прослоек (обезуглероживание в углеро­дистой стали и появление карбидной прослойки в более легированной аустенитной стали возле линии сплавления), которые после длительной работы, наплавленной детали при высоких температурах или после тер­мообработки изделия в некоторых случаях могут снижать эксплуатаци­онные характеристики изделия.

Таким образом, в различных случаях при наплавке 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, формы и методов изготовления наплавочных материалов; вы­бор термического режима для выполнения наплавки (сопутствующего подогрева для исключения получения хрупких подкаленных зон в метал­ле детали или в хрупком наплавленном слое; интенсификации охлажде­ния наплавляемой детали, когда для металла нежелательно длительное пребывание при высоких температурах); установление необходимости последующей термической (общей или местной) обработки (для получе­ния необходимых эксплуатационных характеристик или возможности промежуточной механической обработки).

При возможности получения желаемых результатов путем исполь­зования нескольких способов наплавки (если необходимо - и последую­щей механической обработки) важны и технико-экономические показа­тели сопоставляемых способов.

ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ НАПЛАВКИ СЛОЕВ

14.2. МЕТОДЫ ЛЕГИРОВАНИЯ

Получение наплавленного слоя с особыми свойствами, как правило, связано с получением сплавов со значительным количеством легирую­щих элементов. В качестве наплавочных материалов используются по­крытые электроды (ГОСТ 10051-75), стальная сварочная проволока (ГОСТ 2246-70, ГОСТ 10543-98), порошковая наплавочная проволока (ГОСТ 26101-84), наплавочные ленточные электроды, наплавочные ли­тые прутки (ГОСТ 21449-75, ГОСТ 16130-90), плавленые карбиды вольфрама, порошки из сплавов для наплавки (ГОСТ 21448-75), гибкие шнуры, флюсы для наплавки. Значительное количество наплавочных ма­териалов изготавливается по отраслевым ТУ (техническим условиям). При дуговой наплавке плавящимся или неплавящимся электродом, в сре­де защитных инертных газов, плазменной электрошлаковой наплавке химический состав наплавленного металла по всем основным легирую­щим элементам примерно соответствует химическому составу электрод­ного материала. Дополнительного устойчивого легирования наплавлен­ного металла в результате металлургических взаимодействий наплавляе­мого металла с газовой фазой (например, азотом или кислородом, кото­рые можно добавлять к инертному газу, как правило, аргону) обычно достичь не удается.

При наплавке плавящимся электродом в углекислом газе приходит­ся считаться с потерями легирующих элементов за счет их окисления.

При сварке в среде защитных газов легирование наплавленного ме­талла достигается в основном выбором соответствующего присадочного металла (электродная проволока сплошного сечения, порошковая и др.) или применением дополнительных наплавочных материалов (паст, перед сваркой наносимых на кромки, или присадочных прутков, порошков, засыпаемых на поверхность перед сваркой или вдуваемых в сварочную ванну, дополнительных проволок, прутков, укладываемых на поверх­ность или подаваемых в сварочную ванну, и др.).

Наплавка электродами, имеющими специальные покрытия, позволя­ет получить довольно значительное легирование через составляющие электродного покрытия (обычно вводимые в покрытия в виде порошков металлов, сплавов или углеродистых составляющих) или посредством выбора состава металлического стержня электрода.

Переход легирующих элементов из стержня и покрытия электрода зависит от свойств элемента (его сродства к кислороду, температуры ис­парения и др.), от композиции электродного покрытия металла стержня электрода, а также от коэффициента массы покрытия (табл. 14.1). Варьи-

МЕТОДЫ ЛЕГИРОВАНИЯ