книги из ГПНТБ / Технология ремонта танков [учебник]

В процессе обменных реакций между металлом и шлаком воз­ можно повышение содержания серы и фосфора в наплавленном металле.

Сера попадает во флюс с коксом, используемым для раскисле­ ния флюса при плавке. Фосфор вводится во флюс с марганцовой рудой.

Сера вызывает образование горячих трещин, а фосфор — хлад­ ноломкость металла шва. Поэтому содержание этих примесей строго ограничивают.

Интенсивность перехода серы из флюса (шлака) в наплавленный металл зависит от содержания закиси марганца (МпО) во флюсе. При достаточно высоком содержании закиси марганца во флюсе и марганца в наплавленном металле содержание серы в сварочной ванне уменьшается.

Переход фосфора из флюса в металл также уменьшается при наличии в ванне ионов марганца.

Несмотря на благоприятные условия для формирования вали­ ка при автоматической и полуавтоматической наплавке под слоем флюса, в кристаллизирующемся металле также образуются поры. Наиболее важной причиной образования пор в наплавленном ме­ талле является растворение водорода и азота в каплях жидкого электродного металла. Как видно из диаграммы (см. рис. 119) наи­ более высокая растворимость газов наблюдается при температуре 2200—2400°С. Такую температуру имеют капли металла, проходя­ щие через дуговой промежуток. Однако до окончания кристаллиза­ ции металла часть газовых пузырьков не успевает выйти из сва­ рочной ванночки и остается в наплавленном металле, образуя по­ ры. Благодаря тому, что вероятность образования пор в шве зави­ сит от скорости охлаждения металла, желательно применять меры, уменьшающие скорость охлаждения шва. Для этого необходимо правильно выбрать ток и скорость перемещения дуги; рекомендует­ ся также предварительный подогрев и медленное охлаждение де­ тали после наплавки.

Учитывая, что при автоматической и полуавтоматической на­ плавке под слоем флюса основной причиной образования пор в наплавленном металле является водород, в состав флюса вводят элементы, связывающие водород и образующие надежную защиту расплавленного металла от воздуха. Для связывания водорода в состав флюса вводят в определенных количествах фтористый каль­ ций и кремнезем, которые образуют тетрофторид кремния

2CaFa + 3Si02 £ SiF* + 2CaSiOs.

Тетрофторид кремния (SiF<i) в зоне электрической дуги всту­ пает в химическую реакцию с водородом и связывает его

SiF4 -f- ЗН £ SiF + 3HF.

Образующийся при этом фтористый водород (HF) не растворяется в металле.

217

При автоматическом и полуавтоматической наплавке, как и при ручной сварке, основной причиной образования горячих трещин является образование жидких прослоек между столбчатыми кри­ сталлами металла шва. Образование жидких прослоек предупреж­ дают путем введения в сварочную ванну марганца, алюминия и титана.

Требования к флюсам. Флюсы, применяемые при автоматической и полуавтоматической наплавке стальных деталей, должны обеспе­ чивать:

—устойчивость процесса сварки (горения дуги);

—хорошее формирование металла шва;

—отсутствие пор и трещин в шве;

—минимальное выделение вредных газов при сварке;

—• требуемый химический состав и механические свойства ме­ талла шва;

— хорошее отделение шлаковой корки от металла шва.

Для обеспечения перечисленных требований в состав флюсов вводят компоненты: стабилизирующие сварочную дугу, шлакообра­ зующие, раскисляющие, легирующие и связующие. Устойчивость дуги повышают положительно заряженные ионы калия, натрия, кальция и других металлов. Отрицательно заряженные ионы фто­ ра легко рекомбинируют (соединяются) с ионами металлов и рез­ ко снижают проводимость газов и устойчивость горения дуги. По­ этому для повышения устойчивости горения дуги в состав флюса вводят калий, натрий и кальций н ограничивают количество фтори­ стого кальция. Однако увеличивать содержание этих металлов во флюсе не желательно вследствие образования значительной пори­ стости наплавленного металла.

Исключить фтористый кальций из состава флюса нельзя, таккак фтор является наиболее эффективным средством борьбы с по­ рами, образующимися вследствие выделения водорода.

Формирование валика, плотность шва и химический состав ме­ талла определяются шлакообразующими компонентами, которые являются основой флюса.

В настоящее время в качестве основы флюса применяют три вида веществ: мрамор, титановый концентрат и марганцовую руду.

Флюс на основе мрамора предупреждает образование горячих трещин. Основной компонент мрамора (СаО) хорошо связывает серу и удаляет фосфор

F eS -f CaO — CaS + FeO;

2[-е2Р -S~ 5FeO -}- ЗСаО —->Са3Р20ц -j- 9Fe.

Недостатком флюса на мраморной основе является выделение С 02 при высокой температуре

СаС03^ СаО + СО,.

В результате выделения газов и образуется некоторая пори­ стость в наплавленном металле. Благоприятные условия для выхо-

218

да газов, образовавшихся в расплавленном металле, создаются при использовании флюса мелкой грануляции.

Флюсы на основе титанового концентрата обеспечивают хоро­ шее формирование валика и надежную защиту ванночки. Однако такие флюсы не обеспечивают связывание серы и фосфора.

Марганцовая руда обеспечивает хорошее формирование вали­ ка. Флюсы на марганцовой основе имеют низкую температуру плав­ ления, что обеспечивает хорошие условия для выхода газов. Кроме того, окись марганца способствует уменьшению содержания серы в металле.

Следовательно, флюсы на марганцовой основе обеспечивают получение плотного наплавленного металла без пор и раковин.

Для того, чтобы связать кислород, растворенный в сварочной ванне, в зону сварки вводят примеси, обладающие большим срод­ ством с кислородом (раскисляющие вещества). Установлено, что тугоплавкие окислы образуют с кислородом кремний, титан и алю­ миний.

Легирующие компоненты флюса для наплавки выбирают в за­ висимости от физико-механических свойств металла наплавляемой детали.

Флюсы для автоматической и полуавтоматической наплавки классифицируют по способу изготовления и по химическому со­ ставу.

По способу изготовления различают плавленные и не плавлен­ ные (керамические) флюсы.

Плавленные флюсы получают путем сплавления компонентов шихты в электрических печах. Эти флюсы обеспечивают большую стабильность (однородность) химического состава наплавленного металла.

Не плавленные (керамические) флюсы представляют собой ме­ ханическую смесь легирующих, раскисляющих и шлакообразую­ щих компонентов. Керамические флюсы дают возможность леги­ ровать наплавленный металл любыми элементами. Основным не­ достатком этих флюсов является неоднородность химического со­ става наплавленного металла.

По химическому составу классификация плавленных флюсов про изводится по содержанию в них кремния и марганца.

По содержанию кремния плавленные флюсы подразделяют на две группы: высококремнистые (40—50% SiOo) и низкокремнистые

(до 35% S i02). '

По содержанию марганца различают безмарганцовистые и мар­ ганцовистые флюсы. К первой группе относятся флюсы с содержа­ нием не более 1%МпО. При более высоком содержании МпО флюс относится к марганцовистым.

Высококремнистые марганцовистые флюсы предназначены для сварки малоуглеродистых и среднеуглеродистых сталей малоугле­ родистой проволокой. В процессе сварки и наплавки под этими

219

флюсами наблюдается частичное окисление углерода и легирова­ ние наплавленного металла марганцем и кремнием. Такие флюсы обеспечивают удовлетворительную стабильность сварочной дуги, хорошее формирование наплавленного валика, малую склонность к образованию пор и удовлетворительную отделимость шлаковой корки.

Лучшим и наиболее широко применяемым флюсом этой группы является флюс АН-348А (табл. 14), разработанный в Институте электросварки им. Е. О. Патона АН УССР.

Низкокремнистые плавленные флюсы применяют для наплавки легированных и высоколегированных сталей кремнистой проволо­ кой. Они незначительно окисляют углерод и уменьшают содержание серы в металле. Поэтому при использовании этих флюсов меньше возможность образования горячих трещин в наплавленном слое.

Кроме того, низкокремнистые флюсы обеспечивают хорошее формирование валика и его плотность. Формирование плотного шва объясняется наличием в этих флюсах до 40% стеклообразую­ щих окислов S i0 2 и AI2O3. В них также содержится 18,0—33,0% фтористого кальция, который с кремнеземом образует тетрафторид кремния (SiF-i). Последний способствует уменьшению пор в на­ плавленном металле. В практике наибольшее применение получи­ ли флюсы АН-20 и АН-30.

Керамические флюсы обеспечивают хорошую кристаллизацию, раскисление, обессеривание и легирование расплавленного метал­ ла, элементами, входящими в его состав.

При ремонте деталей машин чаще применяют керамические флюсы ЖС-320 и КС-Х12Т (табл. 15).

Способы легирования металла. При автоматической и полуавто­ матической наплавке под слоем флюса для легирования наплавлен­ ного металла хромом, никелем, вольфрамом, молибденом и другими элементами применяют:

—легированную сварочную проволоку и обычный плавленный

флюс;

—порошковую проволоку и обычный плавленный флюс;

—малоуглеродистую проволоку и легирующий керамический

флюс.

Выбор способа легирования зависит от требований, предъявляе­ мых к химическому составу и физико-механическим свойствам на­ плавленного металла.

В настоящее время нет систематизированных и научно обосно­ ванных данных по выбору способа легирования металла шва при автоматической и полуавтоматической наплавке. Некоторое обосно­ вание имеется в сравнительной оценке способов легирования, пред­ ложенной доктором технических наук И. И. Фруминым (табл. 16).

Исследованиями И. И. Фрумина установлено также, что при раз­ личных способах легирования влияние режима наплавки на хими­ ческий состав наплавленного металла проявляется по разному. Из

220

графика (рис. 126) видно, что химический состав наплавленного металла (при изменении режима наплавки в широких пределах) остается стабильным при легировании ванны через легированную или порошковую проволоку. Менее стабильный по химическому

•составу металл получается при легировании через флюс. Исследованиями, проводившимися в Военной академии броне­

танковых войск и Всесоюзном научно-исследовательском институте автомобильного транспорта (НИИАТ), установлено, что при леги­ ровании металла через высокоуглеродистую (0,5—0,6%С) прово­ локу Р-1 или ОВС и использовании стандартного плавленного вы­ сококремнистого флюса АН-348А получают наплавленный металл твердостью 250—350НВ. Примерно такая же твердость обеспечи­ вается при использовании легированной проволоки Св-ЗОХГСА и флюса АН-20.

Существенным недостатком такого способа легирования являет­ ся образование мелких поверхностных трещин.

222

Т а б л и ц а 16

Сравнительная оценка способов легирования

Способ легирования

Образование трещин вызывается высоким содержанием угле­ рода в наплавленном металле и неравномерным нагревом и охлаж­ дением детали в процессе наплавки. Образования трещин можно избежать путем предварительного подогрева и последующего мед­ ленного охлаждения детали.

223

При предварительном подогреве детали до 300°С трещины в на­ плавленном металле не образуются даже при содержании углеро­ да в проволоке до 0,4% (рис. 127). Предварительный подогрев ре­ монтируемых деталей до 300°С не всегда возможен, так как при этом нарушается первоначальная термическая обработка и воз­ можно коробление деталей.

Другим недостатком легирования наплавленного металла че­ рез проволоку является использование дорогой и дефицитной ка­ либрованной высокоуглеродистой или высоколегированной прово­ локи.

При легировании через порошковую проволоку химический со­ став наплавленного металла определяется: составом порошковой проволоки; составом флюса, под которым проводится наплавка, и долей основного металла в расплавленной ванночке. По данным

Рас. 127. Влияние предварительного подогрева на образование горячих трещин в наплавленном металле

Института электросварки им. Е. О. Патона АН УССР при таком способе легирования процесс протекает стабильно, валик форми­ руется удовлетворительно и наплавленный металл имеет однород­ ный химический состав. В настоящее время этот способ не нашел широкого применения из-за сложности изготовления порошковой проволоки.

При легировании наплавленного металла через флюс приме­ няют малоуглеродистую сварочную" проволоку и керамический флюс. Основным недостатком такого способа легирования являет­ ся неоднородность химического состава и неравномерная твердость наплавленного металла.

Для того, чтобы обеспечить плотность и равномерную твердость наплавленного металла, особое внимание уделяют приготовлению флюса. Флюс нужно просушить при температуре 250—300°С, со­ держание влаги в нем не должно превышать 0,1%. Просушенный флюс тщательно просеивают. При использовании флюса мелкой грануляции (0,25—1,6 мм) сварочная ванна плотно закрывается, что уменьшает утечку металла и обеспечивает хорошую защиту ее от воздуха. Флюс более крупной грануляции осыпается и поэтому ухудшается процесс формирования валика.

Исследованиями установлено, что при наплавке стали 40Х ма­ лоуглеродистой (Св-08) проволокой под флюсом ЖС-320 дости-

224

гается твердость наплавленного слоя 290—300 НВ. При этом рас­ плавленный металл хорошо растекается; глубина проплавления ос­ новного металла незначительна; шлаковая корка хорошо отделяет­ ся от слоя металла; шов получается ровным и плотным. Перечис­ ленные положительные качества флюса дают возможность его при­ менять при наплавке деталей малого диаметра.

Всестороннее исследование показывает, что наиболее рацио­ нальным и экономичным является способ легирования наплавляе­ мого металла через флюс. При правильном приготовлении флюса и соблюдении установленных режимов наплавки получается каче­ ственно наплавленный слой. Кроме того, не расходуется дорого­ стоящая высокоуглеродистая или легированная проволока.

Выбор режима наплавки. От режима наплавки зависит: форми­ рование валика, глубина провара основного металла, плотность и хи­ мический состав наплавленного металла. Кроме того, режим наплав­ ки сказывается на величине зоны термического влияния, структуре и других свойствах металла.

Известно, что глубокое проплавление основного металла при на­ плавке изношенных деталей нежелательно, так как в расплавленной ванне может увеличиться содержание вредных примесей.

При выборе режима необходимо правильно определить величи­ ну сварочного тока, его напряжение, полярность и скорость на­ плавки.

При большом сварочном токе возрастает общий объем расплав­ ленного металла и увеличивается глубина провара. Кроме того, вследствие выделения большого количества тепла металл перегре­ вается, его твердость уменьшается, ухудшается отделяемость шла­ ковой корки и ухудшается формирование валика.

При малом сварочном токе наблюдается обрыв дуги и поэтому не обеспечивается достаточная плотность наплавленного металла.

С повышением напряжения дуги при постоянной величине сва­ рочного тока и скорости сварки увеличивается количество тепла, вы­ деляемое на единице длины валика, и ширина валика. Кроме того, увеличивается объем расплавленного флюса; он начинает вытекать из зоны сварки и увлекает за собой жидкий металл. Глубина про­ вара при увеличении напряжения дуги практически не изменяется.

Глубина провара металла детали частично зависит от диаметра электродной проволоки. При постоянной величине тока, изменением сечения электрода меняют плотность тока, вследствие чего изменяет­ ся давление дуги на сварочную ванну.

При увеличении сечения электрода давление дуги уменьшается, и поэтому глубина провара становится меньше, а ширина валика несколько больше. Однако при чрезмерном увеличении диаметра электрода ухудшается устойчивость дуги.

Скорость наплавки оказывает существенное влияние на форми­ рование валика. От скорости перемещения дуги зависит количество металла, наплавленного на единицу длины валика, и глубина про­ плавления детали. При наплавке цилиндрических деталей хорошее

fcs>

KJ

O l

3S0

Рис. 128. График выбора реж и м а полуавтоматической наплавки