Глава VII Нанесение износостойких и жаропрочных покрытий

1. НАПЛАВКА

Наплавка - процесс, при котором на поверхность детали наносится слой металла требуемого состава. Наплавку применяют при ремонте изношенных де­талей для восстановления их исходных размеров и для изготовления новых изде­лий. Масса наплавленного металла обыч­но не превышает нескольких процентов от общей массы изделия. Проплавление ос­новного металла и перемешивание основ­ного и наплавленного металлов должны быть минимальными для сохранения ме­ханических свойств наплавленного слоя.

Материалы, применяемые для напла­вочных работ, можно разделить на сле­дующие основные группы: стали (углеро­дистые, легированные); сплавы на основе железа (высокохромистые чугуны, сплавы с бором и хромом, сплавы с кобальтом, молибденом или вольфрамовые); сплавы на основе никеля и кобальта; сплавы на основе меди; карбидные сплавы (с карби­дом вольфрама или хрома); порошковые материалы для наплавки и напыления.

Ручная дуговая наплавка металличе­скими электродами - самый простой спо­соб. Наплавку выполняют короткой дугой на минимальном токе. Для повышения производительности применяют наплавку пучком электродов или трехфазной дугой.

Автоматическая наплавка под флюсом обеспечивает довольно большой объем ванны жидкого флюса и металла. Крупные детали наплавляют многодуговой наплав­кой, при этом один рабочий управляет одновременно несколькими аппаратами, каждый из которых обрабатывает опреде­ленный участок изделия.

Применяют многоэлектродную на­плавку, при которой одновременно пла­вятся несколько электродных проволок, подключенных к одному полюсу источни­ка тока и расположенных поперек оси на­плавленного валика. Под флюсом создает-

ся одна общая сварочная ванна, и электро­ды плавятся поочередно. Вместо элек­тродной проволоки в качестве присадоч­ного материала можно использовать ши­рокую ленту небольшой толщины. Дуга, перемещаясь от одного края ленты к дру­гому, равномерно оплавляет ее торец. Ко­эффициент наплавки получается больше, а глубина проплавления и доля основного металла уменьшаются.

Электрошлаковую наплавку применя­ют, когда необходимо наплавить большое количество металла. Преимущества элек­трошлаковой наплавки - высокая произ­водительность, малая склонность наплав­ленного слоя к порам и трещинам, высо­кое качество поверхности наплавки. Тол­щина наплавляемого слоя не менее 5 мм.

Наплавку ТВЧ выполняют с помощью индукционного нагрева с присадочным материалом, который предварительно на­носят на поверхность изделия в виде сме­си порошков, литого кольца или прессо­ванного брикета либо расплавляют в огне­упорной воронке, расположенной над на­плавляемой деталью.

Дуговую наплавку неплавящимся электродом применяют в основном для твердых зернистых и порошковых спла­вов. Дуговую наплавку вольфрамовым электродом в защитных газах (аргоне) выполняют, используя литые присадочные прутки (обычно из сплавов никеля и ко­бальта). Указанным способом получают очень малую глубину проплавления и тонкие слои.

Существует много разновидностей на­плавки с использованием плазменной ду­ги, газового пламени, плавящегося элек­трода в защитном газе, порошковой про­волоки и пластинчатого электрода.

В последнее время широкое распро­странение получили методы лазерной на­плавки как для создания поверхностей с необходимыми свойствами, так и для вое-

НАНЕСЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКИХ И ЖАРОПРОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ

271

становления изношенных деталей или ис­правления точечных дефектов. Преиму­ществами процесса являются локальность теплового воздействия, минимальное пе­ремешивание наплавочного и основного металлов и практическое отсутствие де­формации изделия после наплавки.

При проведении работ по наплавке следует иметь в виду, что в поверхност­ных слоях наплавленного металла возни­кают остаточные, как правило, растяги­вающие напряжения, которые могут при­вести не только к искажению формы и размеров наплавляемых деталей, но и к появлению трещин в самой наплавке.

Наплавку низколегированных и низко­углеродистых сталей (до 0,4 % С) часто используют для восстановления размеров детали или для создания подслоя. Особых проблем при наплавке таких сталей не возникает. Однако если в наплавке коли­чество углерода повышается до значений, более высоких, чем 0,4 %, то следует пре­дусматривать подогрев, особенно при на­плавке на массивные детали. Температура подогрева должна быть тем выше, чем массивнее деталь и больше количество углерода в ее составе.

При восстановлении деталей из хромо-вольфрамовых, хромомолибденовых и других теплостойких инструментальных сталей, особенно если наплавляемая деталь предназначена для работы в условиях сменных температур, для исключения ве­роятности появления трещин необходим предварительный подогрев до 300 °С. Час­то рекомендуется последующее медленное охлаждение вместе с печью или после­дующий высокотемпературный отпуск.

Особенностью наплавки штамповых инструментальных сталей является проте­кание перлитного превращения в широких диапазонах скоростей охлаждения. Иногда после охлаждения образуется мартенсит-ная структура с некоторым количеством остаточного аустенита - структура, весьма твердая и износостойкая, затрудняющая последующую механическую обработку.

Для восстановления наплавкой изде­лий из быстрорежущих сталей следует учитывать повышенную склонность ме­талла к образованию горячих и холодных трещин. Наплавленный металл, как прави­ло, не должен подвергаться пластической деформации ковкой или прокаткой.

Низко- и высокоуглеродистые хроми­стые стали в наплавке в зависимости от содержания хрома и углерода имеют фер-ритную или полуферритную, аустенитно-мартенситную структуру. Увеличение уг­лерода приводит к возникновению леде-буритной структуры.

Наплавка ледебуритных сталей XI2, Х12М, Х12ВФ трудна из-за склонности наплавленного металла к образованию холодных и горячих трещин, возникаю­щих по границам зерен легкоплавких кар­бидных эвтектик. Увеличение в наплавке углерода до 1,2 ... 1,5 % увеличивает ко­личество легкоплавкой эвтектики, и тре­щины исчезают.

При наплавке ледебуритных хромистых сталей на малоуглеродистую в первом слое из-за относительно малого количества уг­лерода возможно образование трещин. Из первого слоя трещины могут распростра­ниться и в последующие слои. Следует выбирать такой режим наплавки, чтобы в первом слое перемешивание основного и присадочного металлов было минималь­ным. Твердость ледебуритной хромистой наплавки может быть чрезвычайно высо­кой; после отпуска при температуре 550 °С она может достигать 60 HRC₃.

Высокомарганцовистые аустенитные стали (110Г13Л) рекомендуют применять для деталей, работающих при абразивно-ударном изнашивании. Структура стали аустенитная, пластичность высокая наряду с высокой прочностью. Твердость такой стали после закалки (950 °С) 180 НВ. По­сле последующей деформации твердость возрастает до 500 НВ.

Наплавку таких сталей проводят с ми­нимальным тепловложением (минималь­ные ток и напряжение). Для наплавки

272

СВАРОЧНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

обычно используют проволоку Нп-ПЗА или самозащитную порошковую проволо­ку ПП-Нп 90П13Н4. Иногда используют подслой из наплавки типа Св08Х10Н10ГБ.

Хромоникелевые и хромоникельмар-ганцовистые наплавки (нержавеющие ста­ли) особочувствительны к образованию горячих трещин и потере коррозионной стойкости в процессе эксплуатации. По­этому при их наплавке стремятся к полу­чению двухфазной структуры с мини­мальным содержанием вредных примесей. Иногда при наплавке рекомендуют при­менение промежуточных слоев. Хорошие результаты дает применение проволоки типов СвХ18Н10Т и СвХ17Н13Н2Т. При применении других проволок также стре­мятся иметь в наплавке запас феррита не менее 2 ... 3 %.

Одним из самых распространенных типов наплавочного металла с максималь­ной твердостью и хорошей износостойко­стью является наплавка из высокохроми­стого чугуна, особенно чугуна, имеющего в своем составе первичные карбиды хрома типа Ме₇С₃.

Наплавки такого типа склонны к обра­зованию холодных трещин, особенно при наплавке на крупногабаритные детали. Эти трещины практически не переходят в ос­новной металл детали и не влияют на изно­состойкость. С целью снижения вероятно­сти их появления применяют подогрев и предварительно наплавляют подслой.

Коррозионно-стойкие и жаростойкие никелевые сплавы хастелой или инконель, дополнительно легированные молибденом и хромом, наплавляют в основном в виде порошков и реже проволоки.

Обычно сложностей при наплавке этих материалов не возникает. Если наплавка производится на закаливающиеся стали, то требуется предварительный подогрев.

Никелевые сплавы с хромом, бором, кремнием обладают большой стойкостью в агрессивных средах одновременно с вы­сокой износостойкостью и особой слож­ности при наплавке не представляют, так как имеют относительно невысокую тем-

пературу плавления (1000 ... 1100 °С). Тем не менее с целью лучшего сплавления подложку рекомендуется подогревать до температуры 300 ... 500 °С.

2. МЕТАЛЛИЗАЦИЯ И ГАЗОТЕРМИЧЕСКОЕ НАПЫЛЕНИЕ

Металлизация заключается в нанесе­нии металлического покрытия на поверх­ность методом осаждения на ней жидкого металла, распыляемого газовой струей. При подаче металлической проволоки к источнику нагрева происходит ее разогрев до расплавления и жидкий металл под давлением газовой струи вылетает с большой скоростью из сопла металлизато-ра в виде распыленных капель, которые ударяются о поверхность детали и, соеди­няясь с ней, образуют слой покрытия.

В зависимости от используемого ис­точника теплоты различают металлизацию дуговую, газовую, плазменную и ТВЧ. При дуговой металлизации используют специальные металлизационные аппараты (рис. 5.46). Через два направляющих мундштука 2, по которым протекает сва­рочный ток, подают проволоки 4. При со­прикосновении проволок в точке 1 в ре­зультате короткого замыкания появляется дуговой разряд и образуются капли метал­ла, увлекаемые струей сжатого воздуха, поступающего в корпус 3 через рукоятку 5, к металлизируемой поверхности.

Сжатый воздух

Рис. 5.46. Схема дугового металлизатора

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ СВАРКИ РАЗЛИЧНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ 273

Для металлизации применяют проволо­ки медные, алюминиевые, стальные и цин­ковые, а также неметаллические материалы в виде порошков (стекла, эмали, пласт­масс). Металлизационный слой состоит из мелких поверхностно-окисленных части­чек металла и имеет меньшие прочность и плотность по сравнению с наплавленным слоем. Металлизацию применяют для за­щиты от изнашивания, коррозии таких изделий, как цистерны, бензобаки, мосты, изнашивающиеся части валов, деталей машин и т.п., а также в декоративных це­лях. Дуговая металлизация - высокопро­изводительный процесс, обеспечивает хорошее соединение покрытия с основ­ным металлом. Недостатками его являют­ся возможность перегрева и окисления наплавляемого материала и выгорание из него легирующих компонентов.

Газотермическое - плазменное - напы­ление в зависимости от вида напыляемого материала (порошок или проволока) может производиться плазменной струей или

плазменной дугой (см. рис. 5.12). В первом случае в зону плазменной струи под давле­нием транспортирующего газа подают ма­териал в виде порошка, во втором исполь­зуют проволочный материал.

Преимуществами плазменного напы­ления являются возможность применения широкого спектра материалов и проведе­ние процесса как в атмосфере, так и в за­щитных камерах. Недостатками является высокая стоимость способа, относительно низкая производительность, высокий уро­вень шума.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. В каком порядке следует расположить известные Вам способы наплавки по степени уменьшения коробления деталей?

2. Какой из способов наплавки обладает наибольшей производительностью?

3. В чем заключаются принципиальные от­личия процессов наплавки от напыления и металлизации?