3042

тельно короткое время большие массы металла слоями значительной толщины. Именно по этой причине получила распространение ЭШН электродами большого сечения в виде труб; квадратных, круглых, прямоугольных прутков и др.

В металлургической промышленности наплавку прокатных валков выполняли электродами-трубами. Например, для наплавки стальных и чугунных прокатных валков горячей прокатки использовали электроды-трубы диаметром 370 мм с толщиной стенки 15 - 20 мм из чугуна. Никаких дефектов в виде трещин, пор, неметаллических включений в наплавленном слое не обнаружили. Отсутствие трещин при наплавке малопластичных материалов (чугунов) связано с особенностями кольцевой ЭШН, позволяющей существенно уменьшить остаточные растягивающие напряжения, а в ряде случаев получать даже сжимающие напряжения в наплавленном слое.

Электродами большого сечения наплавляли заготовки для прокатки сортового и листового биметалла. При изготовлении некоторых быстро изнашивающихся деталей - рабочих органов строительных и дорожных машин эффективно производить наплавку не в конце цикла изготовления, а в начале, т.е. наплавлять заготовки, из которых прокатывают соответствующие профили. Схема процесса наплавки изображена на рис. 2.6. В наплавляемой заготовке (блюмсе) предварительно прострагивают или выфрезеровывают соответствующей формы паз. Затем этот паз заплавляют электрошлаковым способом, используя электроды квадратного, прямоугольного или круглого сечений. При наплавке электрод подают вертикально вниз; ползун, ограничивающий шлаковую и металлическую ванны, остается неподвижным, а блюмс, расположенный под углом 15 - 35° к горизонтали, перемещают вдоль оси наклона. После прокатки такой заготовки получают соответствующей формы профиль, из которого изготавливают биметаллические детали с расположением износостойкого плакирующего слоя в местах наибольшего изнашивания.

51

Рис. 2.6. ЭШН заготовок с наклонным расположением

наплавляемой поверхности: 1 – деталь; 2 – формирующая пластина; 3 – металлическая ванна; 4 – электрод; 5 – шлаковая ванна; 6 - ползун

Способами ЭШН электродами большого сечения можно восстанавливать и упрочнять зубья ковшей экскаваторов, била дробилок различных типов и т.п.

Один из вариантов технологии восстановления и упрочнения зубьев ковшей экскаваторов с помощью стыкошлаковой наплавки электродом большого сечения приведен на рисунке

2.7.

Рис. 2.7. Стыкошлаковая наплавка зубьев ковшей экскаваторов

52

По этой технологии изношенный зуб 1 с приваренным встык к его торцу расходуемым электродом 2 из износостойкого материала подают вертикально в жидкую шлаковую ванну 3 глубиной 50 - 60 мм, находящуюся в кристаллизаторе 4, воспроизводящем геометрию рабочей части зуба. После расплавления расходуемого электрода образуется металлическая ванна 5 и одновременно формируется рабочая часть зуба, а после оплавления торца изношенного зуба, последний погружают в шлак и сплавляют с новой рабочей частью 6.

ЭШН зернистым присадочным материалом. В принципе использовать ЗПМ можно во многих способах ЭШН, необходимо лишь соответствующее оборудование для его подачи. Однако наиболее успешно этот вид присадочного материала используют при наплавке в токоподводящем кристаллизаторе (ТПК), разработанном в ИЭС им. Е.О. Патона.

Схема электрошлаковой наплавки ЗПМ (дробью) в токоподводящем кристаллизаторе показана на рисунке 2.8.

Электрическая цепь проходит от токоподводящей секции кристаллизатора через шлаковую ванну к наплавляемой заго-

Рис. 2.8. ЭШН в токоподводящем кристаллизаторе дробью:

1 – металлическая ванна; 2 – дозатор с дробью; 3 - деталь; 4 - шлаковая ванна; 5 - токоподводящий кристаллизатор; 6 – наплавленный слой

53

товке. Металлическая ванна образуется при расплавлении подаваемой в шлак дроби (стружки). Дробь подают одним или несколькими стационарными дозаторами, совершающими воз- вратно-вращательное движение по периметру кристаллизатора.

В процессе наплавки металлическая ванна постепенно кристаллизуется, формируя наплавленный слой. При этом заготовка валка остаётся неподвижной, а кристаллизатор поднимается вверх (возможен вариант, когда кристаллизатор неподвижен, а заготовка вытягивается из него).

Производительность наплавки при использовании этого способа составляет от десятков до сотен килограммов наплавленного металла в час. Наиболее успешно этим способом наплавляли прокатные валки с гладкой бочкой.

Разработана технология ЭШН нерасходуемым электродом штамповых кубиков с применением в качестве присадки стружки штамповой стали (рис. 2.9).

Рис. 2.9. ЭШН нерасходуемым электродом: 1 – поддон;

2 – деталь; 3 - кристаллизатор; 4 – шлаковая ванна; 5 – графитовый нерасходуемый электрод; 6 – дозатор стружки;

7 – стружка; 8 - металлическая ванна

В кристаллизатор 3 на поддон 1 устанавливают изношенный штамп 2 и заливают его поверхность шлаком 4. В шлак погружают графитовые электроды 5 и начинают электрошла-

54

ковый процесс. За счет теплоты, выделяемой в шлаковой ванне, расплавляют ручьи штампа. Затем в шлаковую ванну из бункера 6 подают стружку 7 штамповой стали, которая по мере расплавления поступает в металлическую ванну 8 подплавленного штампа. Эксплуатационные испытания показали, что стойкость наплавленных таким способом штампов в 1,5 - 4,0 раза выше стойкости штампов из кованого металла.

Вместо стружки для наплавки штампов можно использовать присадочный материал достаточно больших размеров (обрезки проката, отходы мелкого инструмента и т.п.).

ЭШН жидким присадочным металлом. Использование при ЭШН жидкого присадочного металла рационально по ряду причин: исключаются технологические операции по превращению жидкого металла в различного вида твердые присадки; можно наплавлять металл практически любого состава; благодаря отсутствию этапа плавления в шлаковой ванне твердой присадки значительно повышается скорость наплавки.

На рисунке 2.10 показана одна из схем электрошлакового процесса получения биметаллических заготовок путем заливки жидкого металла на твердую подложку, разработанного в 1970-е годы в ИЭС им. Е.О. Патона.

Заготовку 1 устанавливают в кристаллизатор 2. Шлаком 4, находящимся в ковше 3, заливают поверхность заготовки 1 и начинают электрошлаковый процесс нерасходуемыми электродами 5, питающимися от трансформатора 6. После нагрева поверхности заготовки до требуемой температуры на нее наливают металл 8 второго слоя из сталеразливочного ковша 7 и кристаллизуют его с применением электрошлакового процесса, получая двухслойную заготовку 9. По этой технологии можно также восстанавливать изношенные по высоте штампы.

Значительные преимущества имеет ЭШН жидким присадочным металлом в токоподводящем кристаллизаторе. Здесь в шлаковую ванну, находящуюся в ТПК, порционно или постоянно подают жидкий присадочный металл.

55

Рис. 2.10. Схема получения многослойных заготовок методом

ЭШН заливкой жидкого металла на твердую подложку

Технология ЭШН жидким присадочным металлом позволяет наплавлять наружные поверхности цилиндрических заготовок при толщине наплавленного слоя 20 - 100 мм и более. Технология обеспечивает высокую производительность, составляющую от десятков до сотен килограммов н аплавленного металла в час.

2.3. Плазменная наплавка

Плазменная наплавка - это процесс, при котором источником теплоты служит плазменная дуга, а присадочными или электродными материалами - сплошная или порошковая проволока, неподвижная присадка в виде литых или спеченных колец, гранулированные порошки. Благодаря возможности регулирования в широком диапазоне соотношения между тепловой мощностью дуги и подачей присадочного (электродного) материала, большинство способов плазменной наплавки обеспечивают достаточную производительность (до 10 кг наплавленного металла в час) при минимальном проплавлении основного металла.

Важным преимуществом плазменной наплавки является отличное формирование наплавленных валиков, стабильность их размеров: статистически установлено, что у 95 % напла в- ленных деталей отклонение толщины наплавленного слоя от номинального размера не превышает 0,5 мм. В результате су-

56

щественно сокращается расход наплавочных материалов, время наплавки, а также благодаря малым припускам затраты на механическую обработку наплавленных деталей.

Плазменная наплавка обеспечивает высокую работоспособность деталей за счет отличного качества наплавленного металла, его однородности, а также благоприятной структуры, определяемой специфическими условиями кристаллизации металла сварочной ванны.

2.3.1. Характеристика плазменного нагрева

При обычных условиях молекулы газа нейтральны и газ является хорошим изолятором. Но если создать достаточно сильное электрическое поле, то произойдет ионизация газа.

Возникновение электрического тока связано с перемещением электрических зарядов (в основном электронов и ионов), образующихся в результате ионизации. Благодаря наличию тока в газе происходит повышение температуры; при этом относительная доля ионов и электронов в газовой смеси быстро возрастает и газ перестает быть нейтральным. Но такое состояние газовой смеси нельзя назвать плазмой. Для плазмы характерна определенная степень ионизации газа, которая, в свою очередь, зависит от температуры и потенциала ионизации. Степенью ионизации газа называется отношение числа образовавшихся заряженных частиц к общему количеству нейтральных частиц в данном объеме газа до ионизации.

Плазмой может быть названо такое состояние газообразной смеси, в которой число заряженных частиц электронов и ионов возрастает до уровня не ниже 109 в 1 см3. Приближенно плазме соответствует температура порядка 10000 К и выше.

Так как выделить плазму в чистом виде достаточно трудно, то для технических целей используют дуговой разряд, обогащенный плазмой, т. е. в дуговом разряде наряду с заряженными частицами содержатся и нейтральные частицы. Такое состояние газа называется низкотемпературной плазмой.

57

В сжатых дугах, применяемых для сварочных процессов, преобладает первичная ионизация, при которой происходит отрыв внешних (валентных) электронов, обладающих более низким потенциалом ионизации по сравнению с электронами более глубоких уровней. Для первичной ионизации характерна частичная ионизация газа. Для вторичной ионизации атома требуется затратить энергию, достигающую сотен электронвольт. Например, азот при температуре 12000 К почти полностью диссоциирует, при температуре 20000 К происходит первичная ионизация, а при температуре 35000 К - вторичная.

В качестве плазмообразующих газов могут быть использованы аргон, азот, гелий, аммиак. Водород и кислород можно применять в смеси с аргоном, азотом. Применение одного водорода невозможно из-за его высокой теплопроводности, что приводит к быстрому нагреву и разрушению сопла. В кислороде из-за быстрого сгорания вольфрамового электрода трудно обеспечить длительную работу катода плазмотрона.

Различные газы и газовые смеси обладают разными фи- зико-химическими свойствами, целесообразность использования которых определяется видом плазменной обработки металлов (наплавка, напыление, закалка и др.) и степенью воздействия на вольфрамовый электрод. Наилучшим газом, защищающим раскаленный вольфрамовый электрод от окисления, является химически инертный аргон. Но аргон - одноатомный газ, и энергия, приобретенная им в столбе электрической дуги, определяется лишь теплоемкостью и процессами ионизации. Двухатомные газы являются лучшими теплоносителями, их преимущество перед инертными состоит в том, что кроме энергии ионизации атомов они переносят еще энергию диссоциации молекул, которая происходит до ионизации. При диссоциации двухатомные газы поглощают энергию, затем заимствованную энергию во время рекомбинации атомарных газов вновь возвращают поверхности обрабатываемой детали.

Водород диссоциирует на 90 % при 4700 К, а азот - при

58

9000 К, причем их теплосодержание (энтальпия) при данных температурах равна теплосодержанию аргона при температуре

14000 К.

Газ в состоянии плазмы находится в термодинамическом равновесии и в целом электрически нейтрален, так как ионизация не создает избытка в зарядах того или иного знака и отрицательный заряд электронов компенсируется положительным зарядом ионов. Важное значение имеет энергетическое саморегулирование дугового разряда. Это свойство заключается в том, что потери энергии в окружающую среду компенсируются притоком свежей энергии от источника тока.

Плазма приобретает новые свойства по сравнению с обычными газами. Высокая концентрация электронов делает ее электропроводимой, причем электропроводимость плазмы достигает величины электропроводимости металлов. Из-за большой насыщенности заряженными магнитными частицами плазма поддается действию магнитных полей.

В настоящее время основным методом получения плазмы для технологических целей является метод пропускания газовой струи через пламя сжатой электрической дуги, расположенной в узком медном канале.

2.3.2. Технология плазменной наплавки

В современной сварочной технике применяют три схемы получения плазмы. Первая соответствует схеме сжатой дуги прямого действия, когда анодом служит обрабатываемый материал. Вторая - сжатая дуга косвенного действия возникает между вольфрамовым электродом и внутренним соплом плазмотрона, из которого вытекает в виде плазменной струи. Дуга косвенного действия (плазменная струя) электрически не связана с обрабатываемым металлом. Вторая схема нашла применение при обработке неэлектропроводимых материалов, а также при напылении и закалке.

Наибольшее распространение получила третья схема с

59

комбинированным подключением плазмотрона к источнику питания. В этом случае между вольфрамовым электродом и соплом анода зажигается вспомогательная сжатая дуга косвенного действия, обладающая электропроводимостью и образующая при соприкосновении с токоведущей обрабатываемой деталью сжатую дугу прямого действия. Третья схема применяется при сварке, наплавке, резке металлов.

КПД при нагреве сжатой дугой прямого действия составляет 30 - 75 %, косвенного: 10 - 50 %.

В обычных условиях при прямой полярности столб дуги между неплавящимся вольфрамовым электродом и деталью в атмосфере защитного газа имеет вид конуса, размеры которого зависят от силы тока и напряжения. Так как с увеличением силы тока и напряжения столб такой дуги имеет возможность расширяться, то значительного изменения температуры и степени ионизации газа не наблюдается. Если каким-либо образом воспрепятствовать электрической дуге занять естественный объем и принудительно сжать ее, оставив в то же время сварочный ток постоянным, то и количество электронов, проходящих по сечению столба дуги, не изменится, а количество упругих и неупругих соударений увеличится, т.е. повысится степень ионизации, возрастут плотность и напряжение дуги, что вызовет значительное повышение температуры.

Таким образом, наличие у плазменных горелок стабилизирующего водоохлаждаемого канала сопла является основным отличием от обычных горелок, применяемых для сварки в среде защитных газов.

Несмотря на высокую температуру плазменной струи, горелки работают довольно устойчиво. Это объясняется тем, что сопло, изготовленное из материала с высокой теплопроводностью (красная медь), охлаждается циркулирующей вокруг него водой. Вода, охлаждающая стенки сопла, препятствует нагреву и ионизации наружного слоя газа, проходящего через дугу. Поэтому наружный газовый слой имеет низкую

60