Обработка металла

Содержание

 

1    Наплавка покрытий	3
1.1 Определение и общая характеристика способа	3
1.2 Подготовка материалов и заготовок к наплавке	4
1.3 Классификация и применение электродуговой наплавки	4
1.4. Технологические особенности и расчеты электродуговой наплавки	5
1.5 Ручная электродуговая наплавка	8
1.6 Электродуговая наплавка под слоем флюса	9

 

1 Наплавка покрытий

 

 

1.1 Определение и общая характеристика способа

 

Наплавка покрытий - это процесс нанесения покрытия из расплавленного материала на разогретую до температуры плавления поверхность восстанавливаемой детали.

Покрытия, полученные наплавкой, характеризуются отсутствием пор, высокими значениями модуля упругости и прочности на разрыв. Прочность соединения этих покрытий с основой соизмерима с прочностью материала детали.

Если в машиностроительном производстве наплавку применяют для  повышения износостойкости трущихся поверхностей, то в ремонтном производстве - в основном для проведения последующих работ по восстановлению расположения, формы и размеров изношенных элементов. Восстановительная наплавка при этом обеспечивает также получение новых свойств поверхностей: коррозионной, эрозионной, кавитационной износо-, жаростойкости и др.

Доля трудоемкости сварки и наплавки составляет ~ 70 % всех способов создания ремонтных заготовок при восстановлении деталей. Наплавка изношенных поверхностей занимает ведущее место вследствие своей универсальности.

Способы наплавки делят  на группы в зависимости от видов  применяемых источников тепла, характера легирования и способа защиты формируемого покрытия от влияния кислорода и азота воздуха. Наибольшее распространение в ремонте при нанесении покрытий получили способы электродуговой наплавки: под флюсом, в среде защитных газов и вибродуговая (табл. 1).

Задача, решаемая при наплавке покрытий - получить покрытие без пор, необходимой толщины, прочно соединенное с поверхностью детали, нужного химического состава с заданной структурой.

 

Таблица 1 - Основные показатели способов наплавки

Способ	Толщина слоя, мм	Производительность, кг/ч	Прочность соединения, МПа
Электродуговая самозащитой  проволокой	0,5…3,5	1,0…3,0	450
Электродуговая под  слоем флюса	1,0…5,0	0,3…3,0	550
Электродуговая в среде  диоксида углерода	0,5…3,5	1,5…4,5	550
Электродуговая в среде  аргона	0,5…2,5	0,3…3,6	450
Вибродуговая	0,5…1,5	0,3…1,5	400
Газопламенная	0,5…3,5	0,15…2,0	480
Плазменная (порошковая)	0,5…5,0	1…12	490

 

1.2 Подготовка материалов и заготовок к наплавке

 

Перед наплавкой очищают  и прокаливают наплавочные материалы, обрабатывают поверхности деталей и при необходимости предварительно нагревают их.

Для получения высококачественного  покрытия поверхности электродов и детали перед наплавкой очищают, чтобы полностью удалить загрязнения (влагу, масло, пыль, ржавчину). Поверхности очищают растворами ТМС и органическими растворителями (ацетон). Для удаления ржавчины и мелких трещин применяют дисковые и ленточные инструменты из абразивных материалов или проводят дробеструйную обработку.

С помощью предварительной  обработки удаляют трещины, следы  изнашивания, упрочненные слои и др.

Наплавочные материалы прокаливают (табл. 2) для удаления влаги, которая может быть источником водорода, диффундирующего в наплавленный слой и зону термического влияния, где вследствие водородной хрупкости возникают холодные трещины.

Предварительный нагрев изделия непосредственно перед  наплавкой предотвращает растрескивание наплавленного слоя. Нагрев ведут в печах, газовыми горелками или ТВЧ.

 

Таблица 2 – Температура  прокаливания наплавочных материалов

Материал	Температура, К
Электроды с покрытиями: -высокорутиловым -карбонатно-рутиловым -основного типа -графитсодержащим Порошковая проволока, содержащая: -керамический флюс -плавленный флюс	353…393 473…523 573…623 423…473   523…573 523…673

При недостаточной температуре  подогрева могут возникнуть трещины, а чрезмерный нагрев снижает скорость охлаждения и увеличивает глубину проплавления основного металла, что не обеспечивает требуемой твердости наплавленного металла. Правильный выбор температуры предварительного нагрева особенно важен при наплавке твердых материалов.

 

1.3 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.

 

1.4. Технологические особенности и расчеты электродуговой наплавки

 

Технологические особенности  электродуговой наплавки используют 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 его 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 аргонодуговой 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 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  метал обладающего удовлетворительной свариваемостью;

- уменьшение числа  слоев при многослойной износостойкой  плавке;

- 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.

При наплавке углеродистых и низколегированных сталей вероятность образования трещин увеличивается с повышением углеродного эквивалента С_э, который служит показателем свариваемости:

 

С_Э = С+ l/16Mn+ l/24Si+ l/40Ni+ l/5Cr+ l/4Mo+ 1/14V

 

Между углеродным эквивалентом и максимальной твердостью HV^0,1_max зоны термического влияния существует линейная зависимость:

 

HV^0,1_max =(660С_э+40)±40

 

Если максимальная твердость  в зоне термического влияния выше 325 HV, то рекомендуется предварительный подогрев до 530 К, соответственно, при твердости 250...325 HV - подогрев ~ 430 К, а при твердости 200...250 HV подогрев осуществляется только в случае необходимости.

Горячие трещины возникают  во время кристаллизации наплавленного  металла. В это время на границе зерен образуется легкоплавкий расплав (эвтектика), разрушающийся под влиянием усадочной деформации. Для оценки склонности к горячим трещинам рассчитывают показатель Уилкинсона - H.C.S. по уравнению

При H.C.S. > 1,7 горячие трещины не возникают. Технологические расчеты электродуговой наплавки выполняются в такой последовательности

 

Назначают диаметр электрода  в зависимости от толщины стенки детали или толщины покрытий. При восстановительных работах чаще назначают диаметр электрода d_з = 1,6...2,5 мм. Принимают плотность тока  j: при ручной духовой наплавке 30 А/мм², при автоматической  наплавке под слоем флюса то 200 А/мм², а при наплавке в среде защитного газа > 200 А/мм².

Напряжение дуги U (в вольтах) зависит от силы сварочного тока. При наплавке под слоем флюса, например, напряжение дуги равно

 

U = 21 + 0,04I. (3.12)

 

Масса наплавленного  металла т_ч за 1 ч (в г/ч) равна

 

т_ч=α_нI

 

где α_н - коэффициент наплавки, определяющий массу наплавленного

металла при силе тока 1 А за 1 ч, г/(Ач).

Коэффициент наплавки на постоянном токе [в г/(Ач)] при ручной наплавке тонкообмазанными электродами равен 7,8...8,5, толстообмазанными электродами 10...14, под слоем флюса 14...16, электрошлаковой наплавке 20...25, ленточными электродами под слоем флюса 15...20, при вибродуговой наплавке 8...10, в среде диоксида углерода 12...14. В среднем на 1 кг наплавленного металла при ручной дуговой наплавке на переменном токе затрачивается 3,5...4,5 кВт-ч электроэнергии, а на постоянном токе 7...8 кВт-ч.

Масса подаваемой в зону наплавки проволоки за 1 ч (в г/ч) равна "Эссе наплавленного за это время  металла

С ростом тока (при постоянных скорости наплавки и напряжении) возрастают объем жидкой ванны и площадь проплавления металла, что приводит к увеличению высоты наплавленного валика. Однако при дальнейшем повышении тока ухудшается формирование наплавленного шва. Шаг наплавки определяется шириной наплавленного валика В. Обычно его устанавливают с таким расчетом, чтобы перекрытие составляло 1/3... 1/2 ширины валика. Ширина валика примерно в 2...3 раза больше его высоты.

Вылет электрода влияет на распределение тепла, расходуемого на нагрев электродной проволоки и материала детали. Эта величина вместе с другими параметрами отвечает за образование высококачественного покрытия. При использовании наплавочной проволоки диаметром 1,2...1,5 мм вылет составляет 10...20 мм, при диаметре 1,6...2,0 мм он равен 20...25 мм, а для стальной ленты 30...35 мм.

Режимы наплавки покрытий уточняют после расчета величины по гонной энергии сварочной дуги W. Эта величина равна количеству тепла, введенного в единицу длины шва:

 

W = 0,24/Uh_и /u_и, (3.22)

 

где h_и - коэффициент использования тепла, для наплавки под слоем флюса составляющий 0,8...0,9.

Для получения покрытий хорошего качества значение W должно быть в пределах 630...1590 кДж/м. Чем больше диаметр электродной проволоки и габаритные размеры деталей, тем больше должна быть W.

 

 

 

 

1.5 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.

Температуру предварительного подогрева деталей при дуговой  на плавке покрытыми электродами выбирают из табл. 3.

Процесс применяют для  нанесения износостойких материалов поверхности корпусных деталей, кронштейнов, рычагов и других деталей в единичном производстве.

 

Таблица 3 - Температура  предварительного подогрева деталей при дуговой наплавке покрытыми электродами в зависимости от вида наплавочного материала