3042

металлические смеси или электропроводные флюсы в твердом состоянии. При использовании твердого старта необходимы технологические карманы, в которых происходит расплавление флюса, образование шлаковой ванны и стабилизация электрошлакового процесса.

При жидком старте процесс начинают с приготовления шлака в отдельной емкости и заливки его в кристаллизатор. Здесь стабильный электрошлаковый процесс можно вести сразу же после заливки шлака и получать качественное соединение основного и наплавленного металлов с самого начала процесса без применения технологических карманов.

Электроды при ЭШН можно подключать по п ростой однофазной, бифилярной или трехфазной схемам. В некоторых случаях используют и более сложные электрические схемы подключения электродов.

ЭШН классифицируют по виду электродных и присадочных материалов. К электродам, которые могут быть плавящ и- мися или неплавящимися, подводят напряжение от источника питания. Первые подают в шлаковую ванну, где они расплавляются, вторые являются нерасходуемыми и служат для поддержания электрошлакового процесса.

Плавящиеся электроды могут быть подвижными и н е- подвижными, их изготавливают в виде проволок и лент сплошного сечения или порошковых пластин, прутков, труб и т.д. Расплавление неподвижных электродов идет при постоянном подъеме кристаллизатора или ползунов и одновременно с ними шлаковой и металлической ванн. Подвижные электроды по мере расплавления непрерывно подают в шлаковую ванну. Возможна также комбинация этих способов.

Неплавящиеся электроды, как правило, изготавливают из меди, графита, вольфрама либо используются различные комбинированные конструкции.

К присадочным материалам напряжение не подводят, они служат для формирования наплавленного слоя. Присадочные

41

материалы могут иметь ту же форму, что и плавящиеся электродные материалы. Также, для ЭШН применяют зернистые и жидкие присадочные материалы. Возможно применение комбинации различных видов присадочных материалов.

2.2.1. Материалы для электрошлаковой наплавки

Флюсы. Роль флюсов в электрошлаковых процессах более существенна, чем при электродуговой наплавке или сварке под флюсом. От них в значительной степени зависит устойчивость электрошлакового процесса, производительность наплавки, качество наплавленного металла. Исходя из этого, к флюсам для ЭШН предъявляют ряд требований:

- обеспечивать быстрое и легкое наведение шлаковой ванны и устойчивость процесса наплавки в широком диапазоне режимов;

-гарантировать минимальное, но полное проплавление основного металла по всей наплавляемой поверхности;

-иметь хорошие формирующие способности при легкой

отделимости шлаковой корки;

-способствовать предотвращению пор и горячих трещин

ипредупреждать образование неметаллических включений в наплавленном металле;

-обладать оптимальной жидкотекучестью для исключения вытекания шлаковой ванны в зазоры между кристаллиза-

тором и изделием, отжимать кристаллизатор от изделия;

-не содержать легко восстанавливаемых оксидов и повышенного количества легирующих компонентов;

-обеспечивать требуемые санитарно-гигиенические ус-

ловия труда при изготовлении и применении; - быть технологичными при изготовлении и не содержать

остродефицитных и дорогостоящих компонентов.

По химическому составу флюсы для ЭШН сплавов на основе железа можно разделить на следующие группы (табл. 2.8): низкокремнистые марганцевые (АН-8, АН-8М, АН-22 и

42

др.), оксидно-фторидные (АН-25, АНФ-6, АНФ-7, АН-72, АН90, 48-ОФ-6 и др.), фторидные (АНФ-1, АНФ-5 и др.).

Таблица 2.8

Состав некоторых флюсов для ЭШН сплавов на основе железа

Основными свойствами шлаков, от которых зависит эффективность электрошлакового процесса, являются электропроводность, вязкость, температура плавления, смачиваемость, жидкотекучесть и стабильность состава при наплавке.

Электропроводность. Для устойчивого ведения электрошлакового процесса электропроводность шлака должна находиться в определенных пределах. При высокой электропроводности возможно появление дуг между электродом и поверхностью шлака, при низкой - возможно нарушение (прекращение) электрошлакового процесса. От электропроводности шлака зависит и количество выделяющейся в шлаковой ванне теплоты, следовательно, энергоемкость процесса и величина проплавления основного металла. От этой характеристики шлака в значительной мере зависит режим наплавки. При низкой электропроводности используют более высокое напряжение.

Вязкость шлаков, как и электропроводность, определяет интенсивность прохождения физико-химических процессов и технико-экономические показатели ЭШН.

По характеру изменения вязкости в зависимости от температуры различают «длинные» и «короткие» шлаки. «Длин-

43

ные» шлаки отличаются небольшим изменением вязкости при значительном увеличении температуры, «короткие» - значительным изменением вязкости при небольших изменениях температуры.

При использовании «длинных» шлаков можно в более широких пределах изменять тепловой режим наплавки. При прочих равных условиях, чем «короче» шлак, тем хуже качество наплавленной поверхности. Использование очень вязкого шлака может привести к отжиманию формирующих устройств от поверхности металла.

Температура плавления. Флюсы переходят из твердого состояния в жидкое и наоборот в некотором интервале температур. Поэтому, говоря о температуре плавления флюсов, под плавлением понимают переход из вязкого состояния в жидкое.

Флюсы, используемые для ЭШН, как правило, имеют температуру плавления ниже температуры ликвидуса металла, или, в крайнем случае, температуры ликвидуса металла и флюса могут быть одинаковыми. Применение таких флюсов обеспечивает наиболее экономное расходование энергии.

Смачиваемость. Процесс соединения наплавляемого металла с основным будет протекать активно только после удаления с поверхности последнего оксидной пленки, которая препятствует образованию металлической связи. Если расплавленный шлак хорошо смачивает поверхность, то при этом создаются условия для взаимодействия активных компонентов шлака с поверхностью основного металла и ее очищению от оксидов. С повышением температуры электрошлакового процесса поверхностное натяжение шлаков снижается, что улучшает смачивание. При хорошем смачивании шлак не должен обладать высокой адгезией к основному металлу, так как это ведет при наплавке к появлению зашлаковок.

Жидкотекучесть шлака играет важную роль для некоторых технологических схем наплавки. Например, при ЭШН в подвижном кристаллизаторе сложнее предотвращать проливы

44

шлаков повышенной жидкотекучести при перемещении кристаллизатора.

Шлаки пониженной жидкотекучести необходимо более сильно перегревать, чтобы при заливке в кристаллизатор при «жидком» старте как можно меньше шлака оставалось в плавильной емкости.

При наплавке в токоподводящем кристаллизаторе также применяют «жидкий» старт. Необходимо, чтобы шлак достаточно быстро (в течение нескольких секунд) растекался по периметру кристаллизатора. Если этого не происходит, то усложняется начало электрошлакового процесса, увеличивается время наведения шлаковой ванны, снижается долговечность кристаллизатора.

Стабильность химического состава шлака имеет важное значение в основном при ЭШН в вертикальном (наклонном) положениях с использованием формирующих устройств. Известно, что расход флюса в этом случ ае относительно мал - всего 4 - 5 % от массы наплавленного металла. Когда шлаковая ванна в течение длительного времени не обновляется или это обновление незначительно, то химический состав шлака меняется и, как следствие, изменяется химический состав и эксплуатационные свойства наплавленного металла. При изменении химического состава шлака может также нарушиться стабильность шлакового процесса.

Электродные проволоки. Как и для механизированной электродуговой наплавки, можно применять как сплошные (табл. 2.1, 2.2), так и порошковые проволоки (табл. 2.3). В подавляющем большинстве случаев для ЭШН используют проволоки диаметром 3,0 - 6,0 мм.

Электродные ленты. Применяют холоднокатаные, порошковые и спеченные ленты. Холоднокатаные ленты из нержавеющих сталей (04Х19Н11М3, 10Х16Н25АМ6, 07Х25Н13, 03Х15Н35Г7М6, 02Х22Н11 и т.д.) толщиной 0,4 - 0,6 мм и ши-

риной 30 - 100 мм используют для ЭШН деталей химической и

45

нефтехимической промышленности. Принципиально возможно применение лент и большей ширины, но необходимо принимать меры против магнитного дутья. В практике ЭШН порошковые ленты применяют мало. Это связано с тем, что намного проще получать способом литья или прокатки электроды большого сечения требуемого химического состава, чем изготавливать порошковую ленту на специальных станах. Одним из основных достоинств спеченных лент является возможность их изготовления из особо чистых порошков, с минимальным содержанием углерода, что особенно ценно для электрошлаковой наплавки аустенитных сталей с высокой стойкостью против общей и межкристаллитной коррозии. Примером может служить лента ЛС-02Х20Н11Т.

Электроды большого сечения. Условно к таким электро-

дам относят все электродные материалы, размеры которых в сечении превышают 100 мм2. Электроды этого типа могут быть в виде прутков круглого, квадратного или прямоугольного сечения. Изготавливают их литьем, в земляных или специальных формах, на машинах непрерывного литья заготовок или прокаткой. При ЭШН цилиндрических изделий в частности прокатных валков используют электроды-трубы, отлитые в земляных формах или изготовленные на центробежных машинах, а также полученные путем вальцевания металлического листа в трубу. В практике ЭШН использовали электроды большого сечения из углеродистых низколегированных сталей 34ХНМ, 65Г, 75ГНД, 9Х; инструментальных сталей 3В8Х2 и Х12; высокомарганцевой стали 110Г13Л; хромистых и хромоникелевых чугунов и др.

Зернистый присадочный материал. Зернистые присадоч-

ные материалы (ЗПМ) самостоятельно поддерживать электрошлаковый процесс не могут. По этой причине эти материалы всегда используют совместно с неплавящимися или плавящимися электродами. ЗПМ можно изготавливать различными способами; распылением жидкого металла водой или инерт-

46

ным газом; механическим дроблением крупных литых частиц или ферросплавов; резкой проволоки на мелкие куски и т.д. В качестве ЗПМ используют также стружку легированных сталей и сплавов. Размеры пластинок стружки должны быть такими, чтобы обеспечивалась их бесперебойная подача и плавление в шлаковой ванне. При ЭШН применяли ЗПМ из углеродистых низколегированных сталей 5ХНМ, 9Х; инструментальных сталей Р6М5 и Р3М3Ф2; чугунов; карбидов вольфрама с различными добавками и др.

Жидкий присадочный металл. Фактически технология ЭШН жидким присадочным металлом (ЖПМ) состоит из двух отдельных технологических процессов: получение жидкого металла требуемого химического состава и собственно его наплавка. Жидкий присадочный материал получают выплавкой в индукционных или дуговых печах либо накоплением жидкого металла в футерованных емкостях путем электрошлакового переплава электродного материала. Предпочтительнее с технической и экономической точек зрения первый метод. Ввиду того, что жидкий присадочный материал, как и ЗПМ, самостоятельно поддерживать электрошлаковый процесс не может, ЭШН с использованием ЖПМ производят, применяя неплавящийся секционный токоподводящий кристаллизатор. В практике ЭШН в качестве жидкого присадочного материала использовали: углеродистые нелегированные стали; инструментальные стали 5ХНМ, 30Х4НМВФ и 45ХНМЮТР; высокоуглеродистые (до 2,5 % С) быстрорежущие стали; высокоуглеродистые стали 110Х11НМС, 250Х2Н3МФА и 185Х5Н2В4М4Ф4; нержавеющие стали типа Х18Н10Т и др.

2.2.2. Технология и техника электрошлаковой наплавки

ЭШН электродными проволоками можно наплавлять плоские поверхности и тела вращения при вертикальном или горизонтальном расположении наплавляемой поверхности.

На рисунке 2.3 показана схема процесса ЭШН проволо-

47

ками в вертикальном положении с помощью трех составных ползунов (вместо ползунов можно использовать подвижный кристаллизатор). Наплавку производят в зазор, образуемый наплавляемой поверхностью заготовки и ползунами. Электроды при наплавке могут совершать возвратно-поступательное движение вдоль зазора. Скорость поперечных колебаний электрода должна быть такой, чтобы шлак не успевал затвердеть до момента возвращения электрода в исходное положение. Процесс начинают на подкладке или в специальном кристаллизаторе. Режимы наплавки устанавливают в зависимости от размеров наплавляемого слоя.

Рис. 2.3. ЭШН плоской поверхности в вертикальном положении

с помощью составных ползунов: 1– наплавляемая заготовка; 2 – составной ползун; 3 - электроды

При ЭШН плоской поверхности электродными проволоками в горизонтальном положении для формирования наплавленного слоя используют неохлаждаемые медные пластины или водоохлаждаемые медные кристаллизаторы. Наплавку выполняют одним или несколькими электродами с поперечными колебаниями или без них. Применение нескольких электродных проволок обеспечивает быструю стабилизацию электрошлакового процесса и высокое качество зоны сплавления и наплавленного слоя. К числу преимуществ этого процесса относят малую глубину проплавления основного металла.

48

Наплавку наружных цилиндрических поверхностей с относительно небольшой длиной образующей (200 - 300 мм) при вертикальном расположении оси рекомендуют выполнять в стационарных кристаллизаторах. Процесс начинают на графитовых или стальных подкладках. После разведения шлаковой ванны обеспечивают синхронное вращение заготовки и кристаллизатора; мундштуки, через которые подают проволоки, в процессе наплавки передвигают только вверх.

Электрошлаковую наплавку цилиндрической заготовки большой длины можно производить, используя подвижный кристаллизатор, неподвижную заготовку и электроды, которые вместе с мундштуками совершают колебательные движения по окружности заготовки; возможны другие варианты.

Схема ЭШН внутренней цилиндрической поверхности показана на рисунке 2.4. В процессе наплавки стерженькристаллизатор и заготовка синхронно вращаются, а мундштуки, подающие проволоку, только поднимаются вверх по мере наплавки.

Рис. 2.4. ЭШН внутренней цилиндрической поверхности:

1 - выводная втулка; 2- медный охлаждаемый стержень; 3 – заготовка; 4 – электрод; 5 – шлаковая ванна; 6 – металлическая ванна; 7 – наплавленный слой

Разработана технология и техника ЭШН горизонтально расположенных цилиндрических поверхностей, но из-за слож-

49

ности осуществления ее в промышленности не применяли.

ЭШН электродными лентами (ЭШНЛ) при горизонталь-

ном расположении наплавляемых поверхностей и свободном формировании наплавляемого металла (рис. 2.5) была разработана в 1970-х гг.

Рис. 2.5. ЭШН одной электродной лентой: 1- электродная лента;

2 - токоподвод; 3 - наплавленный металл; 4 - затвердевший шлак; 5 - жидкий металл; 6 – флюс; 7 – основной металл

Согласно схеме процесса, флюс подают только с одной стороны - перед лентой в направлении наплавки. Процесс, начинающийся как дуговой, быстро переходит в электрошлаковый. За лентой остается сварочная ванна, которая защищена слоем расплавленного шлака, и закристаллизовавшийся наплавленный металл, покрытый шлаковой коркой.

Преимущества ЭШНЛ - высокая производительность при малом проплавлении основного металла (до 10 %).

Для ЭШНЛ необходимо применять флюсы системы СаF2- Аl2О3-SiO2 (АН-72, АН-90) с повышенной электропроводностью в расплавленном состоянии.

С использованием ЭШНЛ разработаны технологические процессы изготовления деталей и узлов корпусов для атомного и химического машиностроения, прокатных валков, ножей горячей резки металла, роликов моталок и т.д.

ЭШН электродами большого сечения наиболее эффек-

тивна в тех случаях, когда необходимо наплавить за относи-

50