3042

ляющих материала другой детали;

-изнашивание в результате воздействия на материал одной из контактирующих деталей посторонних твердых частиц, шаржированных в более мягкую поверхность другой детали;

-изнашивание обеих контактирующих деталей твердыми посторонними частицами, находящимися между их поверхно-

стями. К последнему подвиду можно отнести и абразивное изнашивание при непосредственном контакте детали со свободной абразивной массой.

Абразивное изнашивание зачастую сопровождается различного рода ударными нагрузками. В абсолютных цифрах выразить ударные нагрузки на конкретную деталь затруднительно, поэтому наибольшее распространение получило разделение ударноабразивного изнашивания в зависимости от относительной величины сопровождающих его ударных нагрузок на следующие группы:

1. Абразивное изнашивание без ударных нагрузок. Среди типичных деталей, работающих в этих условиях, следует назвать рабочие органы сельскохозяйственных машин, лопасти мешалок, бункеры на кирпичных и цементных заводах и т.д.

2. Абразивное изнашивание при незначительных ударных нагрузках. Типичные детали этой группы: отвалы и ножи бульдозеров, грейдеров и скреперов; лопасти дорожных фрез; ковшевые цепи экскаваторов и др.

3. Абразивное изнашивание со значительной ударной нагрузкой. Типичные детали этой группы: зубья и ковши одно- и многоковшовых экскаваторов; пики отбойных молотков; била различных мельниц и дробилок и др.

4. Абразивное изнашивание при очень больших ударных нагрузках. Типичные детали этой группы: зубья экскаваторов, работающих на каменистых и мерзлых грунтах; лопатки дробеметных аппаратов и т.д.

Газоили гидроабразивное изнашивание вызвано механи-

ческим действием твердых частиц абразива, перемещаемых

11

потоком газа или жидкости. Как и в случае чисто абразивного изнашивания, износ металлической поверхности при этих видах изнашивания происходит в результате срезания и многократного пластического передеформирования абразивными частицами одних и тех же микрообъемов металла.

Газоабразивному изнашиванию подвергаются лопатки эксгаустеров на агломерационных и тепловых электростанциях; клапаны, конусы и чаши загрузочных устройств доменных печей и т.п. Интенсивность изнашивания в этом случае определяются скоростью, свойствами и формой абразивных частиц, температурой и степенью запыленности газового потока физи- ко-механическими свойствами изнашиваемого материала.

Как показали исследования, одним из важнейших факторов при этом виде изнашивании является угол падения (атаки) абразивных частиц на изнашиваемую поверхность. Изменение угла атаки ведет к изменению процесса разрушения поверхностного слоя и скорости изнашивания. При малых углах атаки высокой износостойкостью обладают стали и сплавы с высокой твердостью, т.е. те материалы, которые хорошо сопротивляются резанию. При углах атаки, приближающихся к 90°, лучше противостоят газоабразивному изнашиванию пластичные материалы с невысокой твердостью. В этом случае меняется процесс изнашивания, вместо резания наблюдается интенсивное многократное передеформирование поверхностного слоя в результате ударного воздействия микрочастиц. Такому изнашиванию лучше противостоят пластичные материалы.

Изнашивание при заедании - изнашивание в результате схватывания, глубинного вырывания материала, переноса его с одной поверхности трения на другую и воздействия возникших неровностей на сопряженную поверхность. Этот вид изнашивания возникает при трении скольжения металла по металлу.

Усталостное изнашивание - механическое изнашивание в результате усталостного разрушения при повторном деформировании одних и тех же объемов металла за счет периодиче-

12

ского силового или термического воздействия.

Термическая усталость - наиболее распространенный вид изнашивания для инструментов горячего деформирования металлов: прокатных валков, штампов горячей обработки, ножей горячей резки и т.п. Трещины - характерный вид разрушения, вызываемый термической усталостью. Трещины на поверхности инструментов горячего деформирования металлов возникают после определенного числа циклов «нагрев – охлаждение». В конечном счете, на поверхности детали образуется сетка разгара, что ведет к выбраковке детали. Характеристикой сопротивления материалов термической усталости служит число циклов до появления трещин.

Газоэрозионное изнашивание - изнашивание поверхности детали в результате воздействия потока газа. Удары молекул газа о поверхность металла ведут к разрушению кристаллитов поверхностного слоя. В потоке горячих газов эрозионное разрушение значительно ускоряется. Скорость износа при газовой эрозии может быть весьма значительной при условии, если поток газов обладает большой кинетической энергией и создает высокие напряжения в поверхностном слое материала.

Кавитационное изнашивание характерно для деталей, ко-

торые контактируют с потоком жидкости. Ему подвергаются гребные винты морских и речных судов, лопасти гидротурбин, рабочие колеса и камеры различных гидромашин и т.п. При движении жидкости относительно твердого тела в ней возникают турбулентные потоки, в которых зарождаются газовые пузырьки. На поверхности твердого тела происходит схлопывание пузырьков, результатом которого является импульсное повышение давления в этих местах. Многократное импульсное воздействие повышенного давления на одни и те же микрообъемы металла, в конечном счете, ведет к разрушению поверхности, контактирующей с потоком жидкости. Процесс кавитационного разрушения ускоряет наличие жидкой коррозионной среды.

13

Коррозия - изнашивание в результате химического и (или) электрохимического взаимодействия металла со средой. При коррозионном изнашивании металл превращается в оксид или другие соединения. Существуют различные виды коррозии: межкристаллитная коррозия; коррозионное растрескивание под напряжением; точечная коррозия; щелевая коррозия; коррозионная усталость; высокотемпературная коррозия. Частным случаем коррозионного разрушения является окислительное изнашивание, основанное на протекании химической реакции материала с кислородом или окисляющей окружающей средой. При трении, сопровождаемом пластическим деформированием поверхностных слоев детали, происходит интенсивное окисление металла кислородом воздуха. Износ усиливается в том случае, если в процессе трения продукты изнашивания уносятся из зоны контакта.

2. ПРИМЕНЕНИЕ НАПЛАВКИ ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ

Наплавка - это нанесение слоя металла на поверхность заготовки или изделия посредством сварки плавлением. В случае применения для этой цели сварки давлением употребляют термин «наварка» (плакирование). Различают изготовительную и восстановительную наплавку.

Изготовительная наплавка (наварка) служит для получения новых биметаллических (многослойных) изделий. Такие изделия состоят из основы (основной металл), обеспечивающей необходимую конструкционную прочность, и наплавленного рабочего слоя (наплавленный металл с особыми свойствами (абразивная износостойкость, термостойкость, коррозионная стойкость и т.д.)).

Восстановительную наплавку (наварку) применяют для восстановления первоначальных размеров изношенных или поврежденных деталей. В этом случае наплавленный металл по составу и свойствам может быть близок к основному (вос-

14

становительная размерная наплавка) или отличаться от него (восстановительная износостойкая наплавка).

Наплавленный металл, вследствие перемешивания с основным металлом и взаимодействия с атмосферой дуги и шлаком может в той или иной степени отличаться по составу от электродного (присадочного) металла.

Доля основного металла в наплавленном лежит в широких пределах и зависит от способа и режима наплавки. Как правило, долю основного металла в наплавленном стремятся свести к минимуму. Ее можно регулировать, изменяя соотношение скоростей плавления электродного и основного металлов; она уменьшается при увеличении скорости наплавки, при применении для наплавки электродных лент или при колебательных движениях электрода.

Важной характеристикой процесса является производительность наплавки, которую измеряют массой металла или площадью поверхности, наплавляемых в единицу времени. Кроме производительности, способы наплавки характеризуются толщиной слоя, наплавленного за один проход.

Способы наплавки классифицируют по физическим, техническим и технологическим признакам. Наиболее удобной является классификация по физическому признаку - по используемым источникам нагрева. По этому признаку способы наплавки и наварки можно разделить на три группы:

- термические (электродуговая, электрошлаковая, плазменная, электронно-лучевая, лазерная (световая), индукционная, газовая, печная);

-термомеханические (электроконтактная, прокаткой, экструдированием);

-механические (взрывом, трением).

Большинство из этих способов, в свою очередь, подразделяют по техническим (способ защиты металла в зоне наплавки, степень механизации процесса, непрерывность процесса наплавки) и технологическим (по роду тока, количеству

15

электродов, наличию внешнего воздействия т.п.) признакам. Наиболее широко в практике упрочнения и восстановле-

ния деталей машин и механизмов в различных областях промышленности используют электродуговую, электрошлаковую, плазменную, индукционнуюи газовую наплавки.

2.1.Электродуговая наплавка

Вкачестве источника нагрева при электродуговой наплавке используют электрическую дугу. Дуговую наплавку можно выполнять вручную покрытыми электродами или меха-

низированными способами.

К числу основных способов дуговой механизированной наплавки относят следующие:

-автоматическая под флюсом (одно-, двух- и многоэлектродная сплошной или порошковой проволокой, электродной лентой);

-автоматическая (одно-, двух- и многоэлектродная) и полуавтоматическая самозащитной порошковой проволокой;

-автоматическая самозащитной порошковой лентой (одним или двумя электродами);

-автоматическая и полуавтоматическую в защитных га-

зах.

Наиболее широко в различных отраслях промышленности используют автоматическую дуговую наплавку под флюсом одной проволокой (сплошной, порошковой или лентой – холоднокатаной, порошковой, спеченной). Это достаточно универсальный способ, он обеспечивает хорошее формирование и высокое качество наплавленного металла. Легирование наплавленного металла при этом способе наплавки осуществляется, как правило, через электродный материал, легирующие флюсы применяют редко.

Большое распространение получила также дуговая наплавка самозащитными порошковыми проволоками. Стабилизацию дуги, легирование и защиту расплавленного металла от

16

азота и кислорода воздуха обеспечивают за счет компонентов сердечника электродного материала. Наплавка самозащитными порошковыми проволоками требует строгого соблюдения рекомендуемых для данного электродного материала режимов, особенно напряжения дуги. При повышении напряжения и соответственно длины дуги ухудшается защита наплавленного металла от окружающей атмосферы, металл обогащается азотом и появляются поры.

Использование в качестве электродного материала лент, позволяет повысить производительность процесса наплавки, а также снизить долю участия основного металла в наплавленном.

Дуговую наплавку в среде защитных газов применяют пока относительно редко. Но, учитывая, что по сравнению с самозащитными проволоками в этом случае не столь жестки требования к соблюдению режимов, наплавка в защитных газах должна получить более широкое распространение. В качестве защитных газов, как и при сварке, используют активные и инертные газы и их смеси. Для увеличения производительности применяют многодуговую и многоэлектродную наплавку.

К числу общих достоинств разнообразных механизированных способов дуговой наплавки можно отнести:

-универсальность;

-высокую производительность;

-возможность получения наплавленного металла практически любой системы легирования.

Большое проплавление основного металла, особенно при наплавке проволоками (необходимый состав наплавленного металла удается получить только в 3 - 4 слое) - основной недостаток дуговых способов наплавки.

2.1.1. Способы легирования наплавленного металла

В отличие от сварки, при которой металл сварного шва по химическому составу, как правило, близок основному ме-

17

таллу, при наплавке металл наплавленного слоя по составу и свойствам в большинстве случаев существенно отличается от основного.

Наибольший эффект наплавка дает в случае применения высоколегированных сталей и сплавов только для рабочего слоя детали, при этом деталь изготавливают из нелегированной малоуглеродистой конструкционной стали. Легировать наплавленный металл можно различными способами, причем в зависимости от вида наплавки легирование можно производить одним или несколькими способами.

При выборе способа легирования необходимо учитывать требования к точности и надежности получения заданного состава наплавленного металла, стабильности состава при возможных колебаниях режима наплавки, его однородности по объему наплавленного слоя, экономичности и удобству применения метода легирования.

Легируют наплавленный металл при дуговой наплавке:

-за счет обменных реакций между металлом и оксидами, входящими в состав флюсов;

-через газовую фазу;

-введением легирующих добавок в электродный или присадочный материалы.

Примером легирования за счет обменных реакций являются марганцево- и кремниевосстановительные процессы при наплавке под высокоактивными флюсами АН-348А и АН-60 с большим содержанием SiO2 и МnО:

(SiO2)+2[Ме]=[Si]+2(МеО); (МnО)+[Ме]=[Мn]+(МеО).

По степени убывания сродства к кислороду элементы, вводимые в состав электродных покрытий, можно расположить в следующий ряд: Са, Аl, Тi, Si, Мn, Fе. Исходя из сро д- ства к кислороду, каждый предыдущий элемент этого ряда б у- дет восстанавливать оксиды последующих элементов при температурах, до которых нагреваются жидкие шлаки и металл, в

18

процессе наплавки. Кроме того, направление этих реакций зависит также от концентрации реагирующих веществ, температуры и активности отдельных составляющих.

Примером легирования через газовую фазу может служить дуговая наплавка плавящимся электродом на воздухе или в азоте, при которой наплавленный металл легируется азотом. Такое легирование бывает полезным для сталей, содержащих хром, титан, ванадий и некоторые другие нитридообразующие элементы. Образуя с этими металлами твердые и прочные нитриды, азот увеличивает износостойкость сталей.

Легирование за счет восстановления металлов из оксидов или через газовую фазу не обеспечивает необходимый набор и уровень содержания легирующих элементов, точность и надежность заданного химического состава наплавленного металла, поэтому эти способы легирования применяют редко.

Наибольшее распространение получило легирование наплавленного металла путем введения легирующих добавок в электродный или присадочный материалы.

При наплавке покрытыми электродами легирующие элементы можно вводить в стержень или покрытие электрода.

Если легирующие элементы вводят через покрытие, то их концентрация в наплавленном металле пропорциональна толщине покрытия. При большой толщине покрытия его наружные слои, расплавляясь, стекают в сварочную ванну, минуя каплю. Такой характер плавления электрода существенно влияет на результаты легирования. Легирующие добавки, попадая в хвостовую часть ванны, не успевают полностью раствориться и равномерно распределиться в расплаве, в результате чего увеличивается макрохимическая неоднородность, и ухудшаются эксплуатационные свойства наплавленного металла. Следует также учитывать то обстоятельство, что при легировании через покрытие более вероятно окисление таких легирующих элементов как титан, ванадий, углерод и др. При наплавке покрытыми электродами коэффициент перехода в наплавленный

19

металл титана и углерода не превышает 0,5, а ванадия, марганца, кремния - 0,6.

Более высокие результаты получают, если легирующие элементы вводят не через электродное покрытие, а через проволоку. Такой путь легирования обычно используют при наплавке хромоникелевых нержавеющих, высокохромистых и быстрорежущих сталей.

При автоматической дуговой наплавке под флюсом используют такие способы легирования наплавленного металла:

1.Легированная сплошная электродная проволока или лента и плавленый флюс;

2.Порошковая проволока или лента с легирующими

присадками в шихте сердечника и в оболочке и плавленый флюс;

3.Нелегированная сплошная проволока или лента и легирующий флюс;

4.Нелегированную сплошная проволока или лента и легирующие присадки в виде прутка проволоки, ленты, пасты,

порошка, нанесенные на наплавляемую поверхность.

Из этих способов ни один не встречается в чистом виде, так как электродный материал всегда в какой-то степени взаимодействует со шлаком и часть элементов переходит в наплавленный металл из флюса. При использовании легирующего флюса часть примесей может вноситься электродным материалом.

2.1.2. Влияние параметров режима электродуговой наплавки на химический состав наплавленного металла

На химический состав наплавленного металла значительное влияние оказывают параметры режима наплавки. Их изменение приводит к изменению не только доли основного металла в наплавленном, но и полноты протекания химических реакций между расплавленным металлом и окружающей средой.

Наиболее существенное влияние на состав наплавленного

20