3042

4. В образовавшуюся своеобразную форму из ковша заливают порции металла 5, расплавленного в индукционной печи или в другом плавильном агрегате. Способ наплавки жидким присадочным материалом используют для наплавки деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания.

Рис. 2.14. Индукционная наплавка заливкой жидкого

присадочного металла на подогретый основной металл

Расплавление брикетированного или монолитного мате-

риала на основном металле можно проиллюстрировать на примере наплавки клапанов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) (рис. 2.15).

Рис. 2.15. Индукционная наплавка клапана ДВС

Присадочным материалом в этом случае служит литое

71

кольцо 3 из жаростойкого сплава, которое укладывают в выточку на опорной поверхности заготовки клапана 1. Нагрев и плавление сплава производят в кольцевом индукторе 2, охватывающем наплавляемый участок. Через индуктор подают защитный газ 5. Температура нагрева заготовки на 50 - 100 °С превышает температуру плавления сплава. Существенной особенностью является то, что в конце процесса поверхность клапана, противоположная наплавляемой, обрызгивается водой из спрейера 4, что обеспечивает направленную кристаллизацию сплава и его повышенные эксплуатационные свойства.

Погружение подогретой детали в форму-тигель с рас-

плавленным металлом. По этому спо собу (рис. 2.16) подогретую в индукторе 1 деталь 2 погружают в керамическую форму 3 с расплавленным металлом 4. Керамическая форма 3 повторяет контуры упрочняемой поверхности.

Рис. 2.16. Наплавка погружением детали в форму-тигель

с расплавленным металлом

Для раскисления расплава, предохранения от угара легирующих элементов и улучшения сплавления с основным металлом на поверхности ванны может находиться жидкий шлак. Присадочный материал расплавляет индуктор 5. В этом случае не имеет значения соотношение температур плавления основного и присадочного металлов. Способ нашел ограниченное

72

применение, несмотря на простоту.

Центробежная наплавка деталей цилиндрической формы

получила распространение при изготовлении различных биметаллических втулок. Известны два варианта реализации этого способа наплавки (рис. 2.17), отличающиеся применяемым присадочным материалом. Можно использовать присадочный материал в твердом состоянии в виде металлических порошков, стружки и т.п. В этом случае плавление присадки идет за счет теплопередачи от нагреваемого ТВЧ основного металла. По второму варианту присадочный металл плавят в отдельной емкости и заливают внутрь вращающегося наплавляемого цилиндра в расплавленном состоянии.

Рис. 2.17. Схема индукционной центробежной наплавки

с использованием твердого (а) и расплавленного (б) присадочного материала: 1 – шпиндель центробежной машины; 2 – деталь; 3 – индуктор; 4 – прокладка; 5 – крышка; 6 – шихта; 7 – керамический желоб; 8 - расплавленный металл; 9 – тигель;

10 – индуктор плавильного агрегата

Особенностью способа является формирование наплавленного металла под действием центробежных сил, которые, с одной стороны, способствуют более равномерному распределению расплава на основном металле и удалению вредных примесей, а с другой - усугубляют ликвационные явления. Поэтому при наплавке сильно ликвирующих сплавов необходимо применять специальные технологические меры - регламентировать количество заливаемого металла, температуру и про-

73

должительность нагрева, число оборотов центробежной машины, скорость охлаждения металла и др. Примером реализации этого способа является центробежная наплавка гильз автомобильных двигателей.

Расплавление порошковой шихты, нанесенной на наплав-

ляемую поверхность детали. Способ основан на использовании ТВЧ для нагрева основного металла и расплавления расположенной на нем порошковой шихты. Этот способ нашел наибольшее распространение в промышленности. Производительность наплавки достигает 10 кг/ч. Возможно получение наплавленных слоев толщиной 0,4 мм и более.

При наплавке этим способом шихту - смесь порошка сормайта с флюсом (бура, борный ангидрид, силикокальций, фтористый кальций и др.) - наносят на наплавляемую поверхность и с помощью специального приспособления вводят в индуктор. Конструкция индуктора и расположение в нем детали зависят от конфигурации упрочняемого участка. При включении индуктора в поверхностных слоях основного металла индуктируются токи, и наружный слой металла быстро разогревается. Слой порошковой шихты слабо реагирует на воздействие переменного электромагнитного поля, и шихта нагревается в основном за счет теплопередачи от основного металла. По этой причине температура плавления шихты должна быть ниже температуры плавления основного металла.

Флюс, входящий в состав шихты, плавится, растворяет оксиды, обеспечивает смачивание наплавляемой поверхности и растекание по ней износостойкого сплава. При наплавке этим способом никакой специальной подготовки поверхности изделия не требуется.

2.4.2. Материалы для индукционной наплавки

При использовании способа армирования расплавленного поверхностного слоя основного металла тугоплавкой и труднорастворимой присадкой, как правило, используют зерновой

74

релит - эвтектическая смесь карбидов вольфрама WС и W2С. Можно также использовать дробленую крупку твердых сплавов типа ВК или ТК (карбиды вольфрама и титана с кобальтовой связкой).

Для индукционной наплавки клапанов использовали литые кольца из сплава на основе никеля ЭП-616 (массовая доля, %: С - 1,2; Si - 3,0; Мn - 0,4; Сг - 17,0; Тi - 0,2; Аl - 0.6; Fе - 3,0;

В - 1.5; Сu - 0,25; Ni - остальное).

Для наплавки рабочих органов сельскохозяйственных, дорожных и строительных машин используют порошки сплавов и наплавочные смеси на основе железа (табл. 2.13).

Таблица 2.13

Химический состав некоторых металлических порошков на основе железа для индукционной наплавки и твердость наплавленного слоя

Порошковая шихта для индукционной наплавки представляет собой смесь металлических порошков (82 – 85 %) с флюсом. Для индукционной наплавки наиболее широко применяют флюсы, представляющие смесь буры и борного ангидрида (борной кислоты). Точной дозировки флюсы для индукционной наплавки, как правило, не имеют, хотя лучшая жидкотекучесть расплава флюса обеспечивается при содержании в смеси 40 % буры и 60 % борного ангидрида. Для улучшения раскисления во флюс вводят до 10 % силикокальция, а для улучшения отделимости шлаковой корки - до 40 % сварочного флюса АН-348, соответственно уменьшая содержание буры и борного ангидрида.

75

2.5. Газовая наплавка

При газовой наплавке для нагрева основного и наплавляемого металлов используют теплоту, выделяемую при горении смеси ацетилена или его заменителей и кислорода. Газовое пламя - наименее интенсивный источник нагрева, поэтому оно обусловливает большую, чем в других случаях, зону термического влияния. Испарения металла при использовании этого источника нагрева нет. Особенностью процесса является возможность получения малой доли основного металла в наплавленном (5 – 10 %), что связано с отсутствием значительного давления струи газа на поверхность сварочной ванны.

Кроме малого проплавления, газовая наплавка имеет и другие преимущества: универсальность и гибкость технологии; возможность наплавки тонких слоев; пониженную опасность возникновения трещин, так как процесс наплавки легко совмещается с предварительным подогревом; низкую стоимость наплавочного оборудования.

Недостатки газовой наплавки - низкая производительность процесса, нестабильность качества наплавленного слоя, зависящая от квалификации наплавщика.

2.5.1. Характеристика нагрева газовым пламенем

Горючие газы, применяемые для газовой наплавки (сварки), представляют собой углеводороды или их смеси с другими

газами (С2Н2 СН4; С3Н8; С10Н8 и др.), водород или пары бензина и керосина. При их сгорании образуется высокотемператур-

ное пламя и выделяется большое количество теплоты. Скорость потока исходной горючей смеси устанавливают

такой, чтобы при зажигании и горении пламя не могло проникнуть внутрь канала мундштука (скорость потока мала) или оторваться от сопла мундштука (скорость потока слишком велика). При сварке и наплавке объем кислорода, подаваемый в смесь, меньше, чем необходимо для полного сгорания. Дого-

76

рание газов происходит за счет кислорода воздуха, вследствие этого пламя в различных частях факела неоднородно по теплофизическим параметрам.

Строение пламени (рис. 2.18) всех горючих углеводородных газов в смеси с кислородом принципиально одинаково, его определяет в основном соотношение кислорода и горючих газов в смеси:

β0 = СОхН2 у .

По соотношению газов (составу горючей смеси) сварочное газовое пламя подразделяют на нейтральное, окислительное и восстановительное или науглероживающее.

Рис. 2.18. Схема нейтрального ацетилено-кислородного пламени и распределение температур: 1– ядро; 2 – средняя зона; 3- факел

Для нейтрального пламени соотношение газов равно единице. Нейтральное пламя имеет ярко выраженный плавноочерченный конус (ядро). Внутри конус состоит из горючего газа и кислорода. При касании этой частью пламени наплавляемого металла последний интенсивно окисляется. На расстоянии 2 - 3 мм от конца конуса развивается максимальная температура (для ацетилено-кислородного пламени более 3000 °С, для дру-

77

гих газов несколько ниже). Средняя зона состоит из оксида углерода и водорода, которые, взаимодействуя с оксидами металлов, их восстанавливают. Основная часть (факел) пламени представляет собой смесь углекислого газа, азота, паров воды и др. Эта зона имеет окислительный характер и сравнительно низкую температуру.

Окислительное пламя образуется при подаче в горелку избыточного количества кислорода. При таком соотношении газов средняя зона имеет окислительный характер воздействия на металл, поскольку в ней появляются кислород и углекислый газ. При этом размеры конуса и факела пламени сокращаются, пламя приобретает фиолетовую окраску.

При избытке горючего (восстановительное пламя) конус имеет те же свойства, что и нейтральное пламя, но из-за недостатка кислорода реакция окисления в ядре замедляется, сильнее проявляется процесс пирогенного разложения горючего на углерод и водород. В этом случае конус удлиняется, его граница несколько размывается, образуется пелена оранжевого цвета в средней зоне. При большом избы тке горючего в объеме факела пламени также имеется свободный углерод, пламя удлиняется и окрашивается в красноватый цвет.

При использовании газов - заменителей ацетилена температура пламени ниже, меньше и количество теплоты, генерируемой в средней зоне. Пониженная теплонапряженность пламени заменителей ацетилена возмещается увеличением их расхода, что ведет к увеличению диаметров сопел и размеров струи газовой смеси и пламени. Площадь нагрева металла увеличивается в 2,5 - 4,0 раза, а размер сварочной ванны - в 1,5 -

2,0 раза.

В зависимости от применяемых присадочных материалов различают два способа газовой наплавки. По первому присадочный металл (проволока, пруток или лента) подают в сварочную ванну вручную или специальными механизмами.

При газопорошковой наплавке (второй способ) в качестве

78

присадочных материалов используют гранулированные порошки легкоплавких сплавов определенных фракций и горелки специальной конструкции, позволяющие осуществлять две разновидности процесса: предварительное напыление слоя порошка на поверхность изделия с последующим оплавлением покрытия; собственно наплавку - одновременное нанесение и оплавление малых порций порошка на поверхности детали.

2.5.2. Присадочные материалы для газовой наплавки

Флюсы - это вещества, которые вводятся в реакционное пространство при выполнении наплавки для предотвращения окисления кромок твердого металла, извлечения из жидкого металла оксидов и неметаллических включений, а иногда и для частичного ввода в расплавленный металл благоприятно действующих элементов. Расплавленные флюсы, являясь в основной своей части нерастворимыми в металле, образуют на поверхности металла пленку шлака, предохраняющую его от непосредственного воздействия газов пламени и воздуха.

Освобождение металла от оксидов воздействием флюса может быть осуществлено посредством:

-физического растворения оксидов;

-химического связывания оксидов в комплексные соеди-

нения; - введения раскислителей.

Принцип физического растворения можно представить следующим образом. Если расплавленный металл покрыт шлаком, состоящим из оксида этого же металла, то количество растворенного оксида в металле определяется константой распределения. Для каждого конкретного металла (Ме) такая константа применительно к равновесию системы для постоянных условий (температуры жидкого металла и шлака) имеет определенную величину. Эта величина константы LMeO определяется отношением концентрации свободного оксида в шлаке (МеO)ш и его концентрации в расплавленном металле [МеО]м

79

L = ([MeO])ш .

MeO MeO м

В этом случае любая добавка к шлаку, даже инертной примеси, уменьшает концентрацию (МеO)ш, и часть окидов из металла перейдет в шлак, уменьшая соответственно [МеО]м. В качестве таких добавок используется ряд галлоидных солей:

СаF2, NаF и др.

Большое значение имеет химическое связывание растворимых в металлах вредных оксидов в комплексные нерастворимые в металле и желательно более легкоплавкие соединения и соли. Так, FеО растворим в расплавленном Fе и оказывает вредное действие на металл. Являясь основным оксидом, FеО может образовывать соединения с кислыми оксидами, напри-

мер с SiO2:

FеО + SiO2 → FеO SiO2;

2FеO + SiO2 → (FеО)2 SiO2.

Эти соединения нерастворимы в металле и уходят в шлак. Таким образом, происходит раскисление металла, которое называется диффузионным.

Чтобы связать большее количество оксидов основного типа, необходимо во флюсе (шлаке) иметь также большее количество свободных кислых оксидов, а образующиеся соединения должны быть достаточно стойкими, не распадаться, не диссоциировать. При газовой наплавке в целях интенсификации связывания основных оксидов (FеО, Сu2О и др.) в ко м- плексных соединениях обычно используют не относительно тугоплавкий кислый оксид SiO2, а оксид бора В2О3. Для этого в состав флюсов вводят борную кислоту Н3ВО3.

Если при наплавке сплава (например, чугуна) образуется значительное количество кислых оксидов (SiO2 при окислении Si), то для их связывания надо вводить сильные основные оксиды - основания (К2О, Na2О и др.). С этой точки зрения полезно введение в качестве флюса буры (Na2B4О7) которая при разложении выделяет Na2О.

80