Методы восстановления деталей

5.2.Классификация  и применение электродуговой  наплавки.

 
      Электродуговая наплавка имеет много видов. При их классификации учитывают следующие классификационные признаки:  
       - уровень механизации (ручная, полуавтоматическая, автоматическая);  
       - вид применяемого тока (постоянный, переменный, импульсный, специальной характеристики);  
           - вид электрода (плавящийся, неплавящийся);  
       - полярность электрода при постоянном токе (прямая, обратная);  
       - вид дуги (прямая, косвенная);  
       - режим (стационарный, нестационарный);  
       - способ защиты зоны наплавки от воздушной атмосферы (в среде защитных газов, водяных паров, жидкости, под слоем флюса, комбинированный);  
       - способ легирования наплавляемого металла (покрытием электрода, флюсом, электродным материалом, комбинированный).  
      Электродуговая наплавка получила наибольшее распространение в ремонте машин среди способов нанесения покрытий. Этот способ по сравнению с другими способами создания ремонтных заготовок дает возможность получать слои с высокой производительностью практически любой толщины, различного химического состава и с высокими физико-механическими свойствами. Наплавочные покрытия наносят на цилиндрические поверхности диаметром > 12 мм.

5.3.Технологические  особенности и расчеты электродуговой  наплавки.

 
      Технологические особенности электродуговой наплавки используют в целях ослабления нежелательных сопутствующих явлений, таких как окисление металла, поглощение азота, выгорание легирующих примесей и нагрев материала детали выше температуры фазовых превращений. Эти явления приводят к снижению прочности сварочного шва, нарушению термообработки материала, объемным, структурным и фазовым изменениям и короблению детали. Перемешивание материалов основы и покрытия ухудшает ею свойства.  
      При электродуговой наплавке применяют главным образом плавящиеся электроды. Неплавящиеся угольные электроды с введением присадочного материала в дугу используют при сварке тонколистовой стали и свинца и при наплавке твердыми сплавами почворежущих деталей. Сварка неплавящимся вольфрамовым электродом применяется при аргоноду-говой наплавке.  
      Дуга может гореть между электродом и изделием или между электродами. Полярность может быть прямая («+» на детали) или обратная. При наплавке между покрытием и основой образуется металлическая связь, поэтому особое значение имеет свариваемость материалов, которая определяется как свойство создавать прочное сварное соединение без трещин, пор и других дефектов.  
      Проблемой наплавки являются трещины двух видов: горячие и холодные (замедленного разрушения).  
      Материал детали, прилегающей к наплавленному слою, характеризуется максимальной твердостью и склонностью к образованию трещин замедленного разрушения. Для предотвращения трещинообразования обычно применяют следующие меры:  
        - предварительный и сопутствующий подогрев во время наплавки для поддержания заданной температуры основного металла;  
       - наплавку после удаления с поверхности детали слоя, содержащего дефекты или отличающейся повышенной твердостью;  
       - подогрев изделия после наплавки и замедленное охлаждение наплавленного металла;  
       - последующую термическую обработку;  
       - наплавку эластичного подслоя на поверхность основного металла, обладающего удовлетворительной свариваемостью;  
       - уменьшение числа слоев при многослойной износостойкой наплавке;  
       - выбор для износостойкой наплавки способов, при использовании которых возникают меньшие термические напряжения в изделиях;  
       - выбор наплавочного материала для первого слоя коррозионно-стойкой наплавки с учетом влияния основного металла на состав наплавленного слоя.

                                5.4.Ручная электродуговая наплавка.

 
      Ручная электродуговая наплавка выполняется в основном электродами с толстым покрытием и в тех случаях, когда применение механизированных способов невозможно или нецелесообразно.  
      Для получения минимальной глубины проплавления основного металла электрод наклоняют в сторону, обратную направлению наплавки. Наплавку выполняют электродами диаметром 2...6 мм на постоянном токе 80...300 А обратной полярности с производительностью 0,8...3,0 кг/ч. Требуется высокая квалификация сварщиков, потому что наплавку необходимо вести на минимально возможных токе и напряжении с целью уменьшения доли основного металла в наплавленном слое, при этом необходимо обеспечить сплавление основного и наплавленного металлов.  
      Процесс применяют для нанесения износостойких материалов на поверхности корпусных деталей, кронштейнов, рычагов и других деталей в единичном производстве.

                               5.5.Электродуговая наплавка под  слоем флюса.

 
      Этот вид наплавки, по сути, является развитием ручной наплавки электродами с толстыми качественными покрытиями. Наплавка под слоем флюса разработана коллективом под руководством акад. Е.О. Патона в 1938-39 гг.  
      Сущность электродуговой наплавки под слоем флюса заключается в том, что сварочная дуга горит между голым электродом и изделием под слоем толщиной 10...40 мм сухого гранулированного флюса с размерами зерен 0,5...3,5 мм.  
      В зону наплавки подают электродную сплошную или порошковую проволоку (ленту) и флюс. К детали и электроду прикладывают электрическое напряжение. При электродуговой наплавке под слоем флюса применяют постоянный ток обратной полярности. При наплавке цилиндрических поверхностей электрод смещают с зенита в сторону, противоположную вращению. Величина смещения составляет -10% диаметра наплавляемой детали. Электрод должен составлять угол с нормалью к поверхности 6...8°. Флюс в зону наплавки подают из бункера.  
      Расход флюса и, соответственно, толщину его слоя на поверхности детали регулируют открытием шибера. После зажигания дуги одновременно плавятся электродная проволока, поверхность детали и флюс. Сварочная дуга с каплями металла оказывается в объеме газов и паров, ограниченном жидким пузырем из расплавленного флюса. Этот пузырь обволакивает зону наплавки и изолирует ее от кислорода и азота воздуха. 
                                        

                              Рис. 9. Схема наплавки под слоем флюса.

 
      Жидкий металл в сварочной ванне постоянно движется и перемешивается.  
      Металл сварочного шва, полученного под флюсом состоит из расплавленного присадочного (1/3) и переплавленного основного металла (2/3).  
      Массы расплавленных флюса и присадочного металла примерно одинаковы. Флюс при электродуговой наплавке является вспомогательным материалом, он вместе с выбором материала проволоки и режимов наплавки играет важную роль в обеспечении необходимых свойств получаемого покрытия. Флюсы применяют как в виде сухих зерен, так и в виде пасты из зерен со связующим. Элементы флюса выполняют свои функции после расплавления, сгорания или разложения. Расплавленный флюс должен быть жидкотекучим. Температура плавления присадочного материала должна превышать на 100... 150 °С температуру плавления флюса. Однако флюс не должен кипеть при рабочей температуре наплавки.  
      Флюс при наплавке покрытий осуществляет следующие функции:  
       - устойчивое горение дуги;  
       - защиту расплавленного металла от воздействия кислорода и азота воздуха;  
       - очистку расплавленного металла от включений и его раскисление;  
       - легирование необходимыми элементами материала покрытия;  
       - образование в дальнейшем теплоизоляционного слоя из флюса и его корки, что замедляет процесс затвердевания металла. Для выполнения этих функций в составе флюса имеются такие вещества:  
       - стабилизирующие процесс горения дуги (сода, поташ, диоксид титана, мел, мрамор и др.);  
       - газообразующие из органических соединений (крахмал, мука пищевая или древесная, декстрин) для создания среды, защищающей расплавленный металл от вредного влияния атмосферы;  
       - щлакообразующие и раскисляющие (титановый концентрат, марганцевая руда, полевой и плавиковый шпаты, кварц, гранит, мрамор, каолин и др.), которые очищают расплавленный металл;  
       - легирующие (ферромарганец, ферросилиций, ферротитан, алюминий и др.);  
       - связующие добавки (жидкое стекло, декстрин и др.). Следует отдельно отметить, что в результате выполнения флюсом своих функций создаются благоприятные условия для:  
       - выхода газов из шва;  
       - более полного протекания диффузионных процессов;  
       - формирования равновесных структур и достижения высокого термического КПД наплавки;  
       - получения однородного наплавленного металла с гладкой поверхностью и плавным переходом от валика к валику;  
       - применения токов большей плотности, чем при ручной наплавке покрытыми электродами;  
       - исключения разбрызгивания и уменьшения угара металла;  
       - снижения потерь тепла сварочной дуги на излучение и нагрев потоков окружающего воздуха;  
       - улучшения условий труда.                                   

5.6.Электрошлаковая  наплавка

 
      Электрошлаковая наплавка (ЭШН) разработана в 1974 г. в ИЭС им. Е.О. Патона. Она характеризуется тем, что на нагретой поверхности детали образуется ванна расплавленного флюса, в которую введен электрод, а к детали и электроду приложено напряжение . Ток, проходящий от электрода через жидкий шлак к детали, выделяет тепло, достаточное для плавления шлака и электродного металла.  
      Зона наплавки на поверхности восстанавливаемой детали ограничена поверхностями водоохлаждаемого кристаллизатора и технологической пластины. Размеры этой зоны определяют сечение наплавленного покрытия. Возможная толщина слоя наплавки > 12... 14 мм. Кристаллизатор изготовляют из меди, графита или керамики. Различают следующие виды ЭШН:  
       - электродными проволоками, лентами или порошковым присадочным материалом;  
  - одно- или многоэлектродную;  
   - с плавящимся или неплавящимся электродом.  
      ЭШН применяют для получения биметаллических изделий и восстановления изношенных поверхностей крупных деталей с износом > 10 мм. Таким образом восстанавливают опорные катки гусеничных машин, звенья гусениц, работающие в абразивной среде, инструмент, шестерни коробок передач и другие детали. ЭШН целесообразно применять при больших партиях деталей и значительных объёмах наплавочных работ.

                             Рис. 10. Схема электрошлаковой наплавки:

 
       1 - кристаллизатор; 2 - шлаковая каппа; 3 - электрод;  
        4 - мундштук; 5 -дозатор легирующих добавок; 6 - крупногабаритные диски; 7 - восстанавливаемая деталь; 8 - оправка; 9 – покрытие.

  
      Процесс наплавки начинают на технологической пластине, которую затем удаляют. В ванну помещают флюс и электрод. Зажигают дугу между электродом и технологической пластиной, в результате чего расплавляется флюс, образуя жидкую ванну. После образования шлаковой ванны дуга гаснет, ток проходит через жидкий шлак и начинается бездуговой процесс. Включают подачу электродной проволоки, открывают дозатор с флюсом и сообщают движение детали. Под воздействием высокой температуры шлак оплавляет поверхность детали и электрода. Температура шлаковой ванны выше, чем температура плавления присадочного электродного материала. Присадочный металл после расплавления оседает и формирует с помощью охлаждаемого кристаллизатора нужную форму покрытия.  
      ЭШН дает наибольшую производительность (до 150 кг/ч) из всех способов наплавки. Количество электродного металла, расплавленного одним и тем же количеством энергии в 2...4 раза больше, чем при ручной сварке, и в 1,5 раза выше, чем при наплавке под флюсом. Наблюдаются небольшой расход флюса, незначительный угар легирующих элементов и высокая стойкость к образованию трещин. Хорошо удаляются вредные вещества. Из-за отсутствия дугового разряда практически исключено разбрызгивание шлака и присадочного материала.  
      Параметры ЭШН: глубина шлаковой ванны, «сухой» вылет, количество и размеры электродов, сварочный ток, напряжение на электродах и скорость их подачи.

5.7.Наплавка в  среде защитного газа.

 
      Такого рода наплавка устраняет некоторые недостатки наплавки под слоем флюса. Разработана в ЦНИИТмаше коллективом под руководством проф. К.В. Любовского в 1952 г.. Сущность наплавки в среде защитных газов состоит в том, что в зону электрической дуги подают под давлением защитный газ, в результате чего столб дуги, а также сварочная ванна изолируются от кислорода и азота воздуха.  
      Для создания защитной атмосферы используют: инертные газы (аргон, гелий и их смеси), активные газы (диоксид углерода, азот, водород, водяной пар и их смеси) и смеси инертных и активных газов. Разновидностью процесса является газопламенная защита от сгорания горючих газов или жидкого углеводородного топлива. Наилучшую защиту металла при наплавке обеспечивают инертные газы, однако их применение ограничивается высокой стоимостью. Чаще применяют водяной пар, пищевую углекислоту и сварочный диоксид углерода.  
      Наибольшее применение в ремонте машин получила наплавка в среде диоксида углерода плавящимся электродом. Используют электродные проволоки диаметром 0,8...2,0 мм и токи относительно большой плотности. Периферийная часть электрической дуги интенсивно охлаждается газом, поступающим из соплового наконечника, поэтому падение напряжения на единицу длины столба дуги будет в несколько раз выше, чем при дуговой сварке без подачи газа. Кроме того, сварка в диоксиде углерода ведется короткой дугой. В таких условиях дуговой разряд имеет возрастающую характеристику, а источник питания должен обладать слегка возрастающей или жесткой характеристикой для интенсификации процесса саморегулирования дуги. Для наплавки деталей применяют ток обратной полярности.  
      Если автоматическую сварку в среде защитных газов используют для наплавки деталей, то полуавтоматическую - для сварки листовых панелей. Область применения механизированной наплавки в среде диоксида углерода распространяется на восстановление стальных и чугунных деталей диаметром > 12 мм широкой номенклатуры, работающих в различных условиях. Восстановлению подлежат как гладкие, так и шлицевые валы.  
      Автоматическая наплавка в среде диоксида углерода обеспечивает формирование плотного шва с небольшой зоной термического влияния, что позволяет осуществлять наплавку нежестких деталей малого диаметра. По сравнению с автоматической наплавкой под слоем флюса процесс обладает такими преимуществами:  
       - меньшим нагревом детали;  
       - возможностью наплавки деталей меньшего диаметра;  
       - более высокой производительностью (в 1,2... 1,5 раза по массе и 30...40 % по площади покрытий);  
       - исключением необходимости отделения шлаковой корки и зачистки швов;  
       - возможностью сварки и наплавки в любых пространственных положениях;  
       - в 1,2...1,5 раза лучшей экономичностью.  
      Схема рассматриваемого процесса приведена на рис. 3.8.1. Электродная проволока диаметром 0,8...2,0мм подается в дугу с постоянной скоростью с помощью подающего механизма. Напряжение приложено к электродной проволоке и детали.

                  Рис. 11. Схема наплавки в среде диоксида углерода:

 
        1 - мундштук; 2 - электродная проволока; 3 - горелка;  
        4 - наконечник; 5 - сопло горелки; 6 - электрическая дуга;  
        7 - сварочная ванна; 8 - покрытие; 9 -восстанавливаемая деталь.

5.8.Вибродуговая  наплавка.

 
      Вибродуговая наплавка отличается тремя особенностями:  
        - в цепь нагрузки источника питания включена индуктивность L;  
        - напряжение источника питания недостаточно для поддержания непрерывного дугового разряда;  
        - электродная проволока совершает колебания относительно детали с частотой 50...100 Гц и амплитудой 1...3 мм с периодическим касанием наплавляемой поверхности.  
      Цикл наплавки состоит из дугового разряда, короткого замыкания и холостого хода. Введение индуктивности в цепь дуги обеспечивает накопление электрической энергии в индуктивности во время разомкнутого состояния цепи, сдвиг фаз тока и напряжения, поэтому переход тока через нуль происходит при наличии напряжения источника питания и возникновении электродвижущей силы самоиндукции, которая совпадает по направлению с напряжением источника питания. Это обеспечивает повторное возникновение дугового разряда после разрыва сварочной цепи и устойчивое горение дуги.  
      Электрод и деталь оплавляются во время дугового разряда, при этом на конце электрода образуется капля металла. Мелкокапельный перенос металла на деталь происходит преимущественно во время короткого замыкания. Так как длительность существования дуги составляет ~ 20 % времени цикла, то провар основного металла неглубокий, с небольшой зоной термического влияния. Вибродуговую наплавку ведут под флюсом, в различных газовых средах или в водных растворах. Последний случайнаиболее распространен, при этом в зону наплавки подают охлаждающую жидкость (3...5%-иый раствор кальцинированной соды или 10...20%-ный раствор глицерина в воде). Жидкость выполняет закалку наплавленного слоя, если применяется закаливающийся электродный материал, защищает расплавленный материал от проникновения кислорода и азота воздуха и охлаждает наплавляемую деталь.                                                                  
  

                                                 Рис. 12.

5.9.Назначение  наплавки.

   Наплавка служит для восстановления размеров деталей и получения на их рабочих поверхностях износостойких покрытий путем расплавления наплавочного материала дуговой или газовой сваркой ручным, полуавтоматическим и автоматическим способами.  
 
   Для деталей из низкоуглеродистой стали используют электроды ОММ-5 типа Э-42 и УОНИ-13/45П типа Э-42А; для среднеуглеродистой стали, термически не обработанной или нормализованной,— электроды УОНИ-13/55 типа Э-50А; для закаленных среднеуглеродистых цементированных и легированных сталей — (электроды ОЗН-250, ОЗН-300, ОЗН-350, У-340, ОМГ-Н и другие модели. Наплавку производят постоянным током при обратной полярности короткой дугой с перекрытием соседних валиков на 30—50 %, диаметр электрода и сила тока ниже, чем при сварке. Крупные детали предварительно нагревают до 300—400 °С. 
   Наплавка деталей может производиться литыми (сормайт № 1 И № 2, стеллиты В2К и ВЗК) и порошкообразными (сталинит, боридные смеси БХ и КБХ и др.) твердыми сплавами. Толщина наплавленного слоя с учетом припуска на механическую обработку – от 2,5 до 4 мм. 
 
   Сормайт № 1 (электрод ЦС-1) после наплавки имеет твердость HRC 48-52 и последующей термообработке не подлежит; применяется для восстановления деталей, работающих при постоянной нагрузке. Сормайт № 2 (электрод ЦС-2) после наплавки и отжига хорошо обрабатывается резанием, а после закалки и отпуска приобретает твердость HRC 58-62; применяется для наплавки деталей, работающих при ударных нагрузках. Порошкообразные смеси (сталинит и др.) наносятся на поверхность детали и плавятся угольным, графитовым и стальным электродами или газовой горелкой, а также могут вводиться в состав обмазки стальных электродов. 
    При наплавке чугуна деталь нагревают до температуры 600-700 °С. Газопорошковая наплавка чугуна заключается в напылении порошка марки НПЧ на нагретую поверхность с помощью специальной ацетилено-кислородной горелки ГАЛ-2-68. Наносимый слой до 3 мм.Автоматическая и полуавтоматическая наплавка под слоем флюсана токарном или специальном станке постоянным током при обратной полярности с помощью наплавочных головок. Электродная проволока диаметром 1-2,5 мм марок Св-08, Нп-30 — для малоуглеродистой стали; Нп-40, Нп-50 — для среднеуглеродистой стали; Нп-ЗОХГСА, Нп-2Х24, Нп-ЗХ13—для хромистых сталей и др. Флюс: плавленный (АН-348А, ОСЦ-45, АН-60 и др.) и керамический (АНК-18, АНК-19, ЖСН и др.). Толщина наплавляемого слоя до 5 мм и более.                 Вибродуговая наплавкана токарном станке постоянным током при обратной полярности с применением охлаждающей жидкости и без охлаждения, в среде защитных газов и под слоем флюса с помощью наплавочных головок с электромагнитным или механическим вибратором. Электродная проволока диаметром 1,2-2,5 мм - из углеродистой или легированной стали. Частота вращения детали до 20 оборотов в минуту. Продольная подача каретки суппорта с головкой 2-3 мм/об. Толщина слоя, наплавляемого за один проход, 0,5-2,5 мм, а его твердость — до HRC 60. Применяется для восстановления деталей (в том числе малого диаметра) из стали, серого и ковкого чугунов (шейки валов, шлицы, резьбовые поверхности и др.), не испытывающих больших динамических нагрузок.