Обработка металла

Наплавочный материал	Температура предварительного подогрева, К
Материалы для износостойкости  наплавки: -стеллит -перлитная сталь -мартенситная сталь -марганцовая аустенитная сталь -высокохромистые на  основе железа -карбид вольфрама	573…773 423 423 Не подогревают 423 573
Коррозионно-стойкая  сталь: -аустенитная -ферритная	Не подогревают 373…673
Никель и его сплавы: -никель -инконель -монель-металл	Не подогревают 393 373
Медь и ее сплавы: -медь -бронза -медно-никелевый сплав	553…873 Не подогревают 423

 

 

 

1.6 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 академика Е.О. Патона

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 (рис. 1). 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. 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 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 дол жен 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 рас плавленый металл от вредного влияния атмосферы;

- шлакообразующие 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.).

 

 

Рисунок 1 – Схема наплавки под слоем флюса

 

1 - бункер с флюсом; 2 - электрод; 3 - оболочка расплавленного флюса; 4 - газопаровой пузырь; 5 - наплавленный слой; 6 - шлаковая корка; е - величина смещения электрода с зенита; w_Д - угловая частота вращения детали

 

 

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 по токов окружающего  воздуха; - улучшения условий труда.

Расплавленные флюсы  взаимодействуют с оксидными  пленками как химические реагенты или физические растворители. В первом случае они образуют с оксидами легкие химические соединения с низкой температурой плавления, которые всплывают на поверхность сварочной ванны, Химически действующие флюсы бывают кислыми (борная кислота Н₃ВО₃ бура Na₂B₄O₇ l0H₂O, кварцевый песок SiO₂) и основными. Если оксиды в ванне расплавленного металла кислые (SiO₂, СО₂ и др.), то при меняют основные флюсы, а для взаимодействия с основными оксидами (FеО, СuО и др.) используют кислые флюсы. Во втором случае флюсы растворяют оксиды металлов и образуют шлаки, также всплывающие на поверхность расплавленного металла.

При наплавке часть легирующих компонентов выгорает, их пополнение идет из материала электродной проволоки и (или) материала флюса.

Флюсы по составу и  способу приготовления делятся  на: плавленые, керамические (неплавленые) и смеси.

Плавленые флюсы получают сплавлением исходных материалов (марганцевой руды, кварцевого песка, известняка, плавикового шпата, магнезита, диоксида титана и др.) в электрических или пламенных печах с последующей грануляцией. Расплавленную массу выливают в воду и таким образом получают стекло или пемзовидный гранулированный флюс в виде частиц круглой формы. Плавленые флюсы содержат стабилизирующие, газо- и шлакообразующие компоненты и раскислители (оксиды кремния и марганца).

Плавленые флюсы подразделяются на виды в зависимости от массовой доли оксидов кремния и марганца. Марганцовистые флюсы содержат 12% МnО. Низкокремнистые флюсы включают < 30%, а высоко-кремнистые < 30 % SiO₂.

Широко применяют в  ремонте высококремнистые марганцовистые флюсы марок АН-348А и ОСЦ-45, которые имеют в своем составе 38...44 % оксида марганца, обеспечивают устойчивое горение дуги, хорошее формирование сварочных валиков и небольшое количество пор в наплавленном металле. Низкокремнистые безмарганцовистые флюсы марок АН-20 и АН-30 уменьшают возможность появления горячих трещин и пор в наплавленном слое.

Плавленые флюсы хорошо защищают сварочную ванну, обеспечивают малую склонность к образованию  трещин в покрытии, удовлетворительную отделяемость шлаковой корки, но не содержат легирующих веществ. Флюсы АН-348А, ОСЦ-45, АН-8 применяют для наплавки деталей из углеродистых сталей, а флюсы АН-22, АН-26 - для наплавки дета лей из легированных сталей.

Керамические флюсы представляют собой механическую смесь легирующих, модифицирующих и шлакообразующих составляющих, соединенных жидким стеклом (17...18 мас. % сухих компонентов). Флюсы получают смешиванием порошков исходных материалов с добавкой связующего вещества. Затем массу дробят на гранулы размером 2...3 мм и сушат Время сушки материала флюса 20 мин при температуре 200 °С.

Керамические флюсы  содержат ферросплавы (феррохром, ферро-марганец, ферросилиций, ферротитан), которые придают флюсам леги-рующие свойства. При этом отдельные легирующие вещества выполняют и функцию раскислителей. Эти флюсы содержат до 50 % неокисленных элементов, что позволяет активно воздействовать на металлургические процессы и получать металл покрытия с необходимыми механическими свойствами. Однако легирующие элементы распределены в объеме мате риала флюса неравномерно, что объясняет химическую и структурную неоднородность покрытий и, как следствие, их «пятнистую» твердость.

Наиболее распространены для наплавки деталей керамические флюсы АНК-18, АНК-19, АНК-30 и ЖСН-1. Например, состав керамического флюса АНК-18 (мас. %) следующий: 6...7 СаСО₃, 26...28 CaF₂, 26...30 MgO, 17...18 А1₂О₃, 7...11 SiO₂, 2,0...2,5 Na₂SO₄ или K₂O, 5,2...6,5 Cr, 2...2,5 Mn, 0,12...0,20 С, 0,2...0,3 Ti, 1,9...2,0 Al, 0,2...0,3 Si, 3...4Fe, до O,15 S и P.

Флюсы-смеси получают смешением плавленых и керамических флюсов или плавленых с ферросплавами и графитом. Например, к плавленому флюсу АН-348А добавляют легирующие элементы в виде серебристого графита из электродов сталеплавильных печей, ферромарганца (70...80 % Мn и 1,5...2,0% С), ферросилиция (включает 70...80% Si), Феррохрома (содержит 70...80 % Сr) и алюминиевого порошка. Такие флюсы обеспечивают получение закалочной структуры материала без последующей термообработки.

Марку электродного материала, как и флюса, выбирают с учетом требуемых физико-механических свойств наплавленного покрытия. Применяют следующие электродные материалы: проволоку сплошного сечения (Углеродистую, легированную, высоколегированную) и порошковую проволоку (легированную, высоколегированную). Для повышения производительности процесса служат также ленточные электроды из стальной, спеченной, металлокерамической или порошковой ленты.

Для получения наплавленного  металла требуемых химического  состава и свойств применяют  легирование через электродную проволоку и (или) флюс.

При легировании через  проволоку наплавку ведут высокоуглеродистой или легированной проволокой под  плавленым флюсом. При этом обеспечиваются высокая точность легирования и стабильность химического состава наплавленного металла по глубине покрытия.

Легирование наплавленного  металла через флюс выполняют  плавкой малоуглеродистой проволокой под слоем керамического флюса Высокая твердость покрытий исключает их последующую термическую обработку. Однако этот способ легирования не нашел широкого приме нения из-за большой неравномерности наплавленного металла по химическому составу и необходимости строго выдерживать режим наплавки Комбинированный способ легирования одновременно через проволоку и флюс получил наибольшее распространение. В качестве источников питания применяют выпрямители ВС-300, ВДУ-504, ВС-600, ВДГ-301 и преобразователи ПСГ-500 с пологопадающей или жесткой внешней характеристикой. В роли вращателей деталей используют специальные установки (УД-133, УД-140, УД-143, УД-144, УД-209, УД-233, УД-299, УД-302, УД-651, ОКС-11200, ОКС-11236, QKC-11238, ОКС-14408, ОКС-27432, 011-1-00 РД) либо списанные токарные или фрезерные станки. Для подачи проволоки применяют головки А-580М, ОКС-1252М, А-765, А-1197.

Основные технологические  параметры наплавки: состав электродного  материала и флюса, напряжение дуги U, сила I и полярность тока, скорость наплавки u_H и подачи u_П электродного материала, шаг наплавки S, смещение электрода с зенита е, диаметр d_Э и вылет электрода.

Наплавка под слоем  флюса имеет следующие разновидности.

Наплавка лежачим  электродом (прутковым или пластинчатым) из низкоуглеродистой или легированной стали применяется для восстановления плоскостей. Часть флюса насыпают на восстанавливаемую поверхность (толщиной 3...5 мм), а часть - на электрод (толщина слоя флюса достигает 10...15 мм). Применяют флюсы-смеси. В одном месте электрод замыкают с деталью для возбуждения дуги, которая при горении блуждает в поперечном направлении. Плотность тока составляет 6...9 А/мм напряжение 35...45 В. Для   выполнения   процесса   имеется   установи ОКС-11240 ГосНИТИ.

Повышение производительности и более высокое содержание легирующих элементов в покрытии обеспечиваются многоэлектродной на плавкой под флюсом на детали со значительным износом на большой площади (рис. 2). Блуждающая дуга горит между деталью и ближайшим к ней электродом.

 

 

Рисунок 2 - Многоэлектродная наплавка под слоем флюса

 

1 - электроды; 2 - токоподводящий контакт; 3 - флюс; 4 - электрическая дуга; 5 - шлаковая корка; 6 - наплавленный металл; 7 - восстанавливаемая деталь; 8 - газопаровой пузырь; 9 - оболочка расплавленного флюса; 10 - источник питания

 

Наплавка по слою порошка (толщиной 6...9 мм) под флюсом повышает производительность процесса и обеспечивает получение толстых покрытий нужного состава. Область применения механизированной наплавки под слоем флюса распространяется на восстановление деталей (диаметром более 50 мм) из углеродистых и низколегированных сталей, требующих нанесения слоя толщиной > 2 мм с высокими требованиями к его физико-механическим свойствам. Наплавляют шейки валов, поверхности катков и роликов, направляющие станин и другие элементы. Механизированная наплавка под слоем флюса обладает такими пре имуществами:

- повышением производительности  труда в 6...8 раз по сравнению с ручной электродуговой наплавкой с одновременным снижением расхода электроэнергии в 2 раза за счет более высокого термического КПД;

- высоким качеством  наплавленного металла благодаря  насыщению необходимыми легирующими элементами и рациональной организации тепловых процессов;

- возможностью получения  покрытий толщиной > 2 мм;

- меньшим рас ходом присадочного материала в результате исключения потерь на разбрызгивание отсутствием "огарков" и уменьшение угара металла;

- лучшими условиями труда наплавщиков за счет механизации процесса и отсутствия открытой дуги.

Недостатками процесса являются:

- большое  вложение тепла в материал детали, что увеличивает зону термического влияния и изменяет результаты предыдущей термической обработки. После наплавки обычно требуется последующая термическая обработка, хотя применение керамического флюса ее исключает;

- трудности удержания  ванны расплавленного металла  на поверхности цилиндрической  детали и необходимость удаления  шлаковой корки. По первой причине детали диаметром < 50 мм под слоем флюса не наплавляют;

- уменьшение усталостной  прочности деталей до 20...40 % за  счет остаточных напряжений, пористости и структурной неоднородности;

- появление при загрузке  флюса в бункер и его просеивании  после использования силикатной пыли, вредной для организма человека.

В качестве оборудования для электродуговой наплавки ИЭС  им. Е.О. Патона разработал наплавочные станки У-651 и У-653. Станок У-651 предназначен для наплавки наружных поверхностей деталей (в том числе шлицев), а также сварки деталей, имеющих кольце вые и продольные швы простой формы. Он позволяет вести наплавку открытой дугой сплошной самозащитной проволокой диаметром 1-2 мм, порошковой проволокой диаметром 2...3 мм и в среде защитных газов проволокой диаметром 1...2 мм. Применяется наплавочный автомат А-1408У4. Станок позволяет наплавлять детали диаметром 20...500 мм, длной 1300 мм и массой до 200 кг.