Наплавлення

Наплавлення - нанесення за допомогою зварювання шару металу на поверхню виробу. При відновленні, ремонті наплавлення виконують приблизно тим же металом, з якого виготовлений виріб, однак таке вирішення не завжди доцільно. Іноді при виготовленні нових деталей (і навіть при ремонті) доцільніше на поверхні отримати метал, що відрізняється від металу деталі. Дійсно, у ряді випадків умови експлуатації поверхневих шарів значно відрізняються від умов експлуатації всього останнього матеріалу виробу. Так, наприклад, якщо деталь (виріб) повинна визначати загальну міцність, яка залежить від властивостей металу і його перетину, то поверхневі шари часто додатково повинні працювати на абразивне або абразивно-ударне зношення (направляючі станин, зуби ковшів землерийних знарядь, жолоби валків канатно-підіймальних пристроїв і ін.). Умови роботи можуть ускладнюватися підвищеною температурою, ерозійно-корозійною дією довкілля (морської води, різних реагентів в хімічних виробництвах і ін.). Як приклад можна вказати клапани двигунів, поверхні ущільнювачів засувок, поверхні валків гарячого плющення тощо. Інколи такі деталі і вироби цілком виготовляють з металу, який забезпечує і вимоги до експлуатаційної надійності роботи його поверхонь. Проте це не завжди найкраще і, як правило, не економічне рішення. Часто виявляється доцільнішим весь виріб виготовляти з дешевшого і достатньо працездатного металу для конкретних умов експлуатації і лише на поверхнях, що працюють в особливих умовах, мати необхідний по товщині шар іншого матеріалу. Інколи це досягається застосуванням біметалів (низько вуглецева сталь + корозійностійка сталь; сталь + титан і ін.), а також поверхневим зміцненням (поверхневим гартом, електроіскровою обробкою і ін.), нанесенням тонких поверхневих шарів (металізацією, напиленням і ін.) або наплавленням шарів значної товщини на поверхню.

В загальному обсязі робіт при відновленні деталей на ремонтних підприємствах різні способи відновлення складають:

- наплавлення під шаром флюсу – 32%

- наплавлення в середовищі вуглекислого газу 20%

- вібродугове наплавлення – 12%

- наплавлення порошковим дротом без захисту – 10%

- плазмове наплавлення – 1,5%

- електрошлакове наплавлення – 1,5%

Решту інші способи. Тобто значущість та перспективність наплавлення як методу відновлення очевидна.

Наплавлення здійснюють нанесенням розплавленого металу на поверхню виробу, нагріту до оплавлення або до температури надійного змочування рідким наплавленим металом. Наплавлений шар утворює одне ціле з основним металом (металевий зв'язок). При цьому, як правило (окрім деяких випадків ремонтного наплавлення, вживаного для відновлення вихідних розмірів деталей), хімічний склад наплавленого шару може значно відрізнятися від складу основного металу. Товщина наплавленого металу, утвореного одним або декількома шарами, може бути різною: 0,5 ... 10 мм і більш.

Необхідні властивості металу наплавленого шару залежать від його хімічного складу, який, у свою чергу, визначається складом основного і додаткового металів і долями їх участі в утворенні шва. Вплив розбавлення шарів основним металом тим менше, чим менше частка основного металу у формуванні шару. У зв'язку з цим для випадків (а їх більшість), коли бажано мати в наплавленому шарі склад, що максимально наближається до складу металу, що наплавляється, необхідно прагнути до мінімального проплавлення основного металу, тобто до зменшення частки основного металу в металі шва.

При багатошаровому наплавленні склад кожного шару різний, оскільки різна частка участі основного металу (на який наплавляють) в утворенні наплавленого шару. Якщо при наплавленні 1-го шару основний метал безпосередньо бере участь у формуванні шва, то при наплавленні 2-го і наступних шарів він бере участь побічно, визначаючи склад попередніх шарів. При наплавленні великого числа шарів за деяких умов наплавлення склад металу поверхневого шару може бути ідентичний додатковому металу, що наплавляється.

Частка участі основного металу у формуванні наплавленого металу залежить як від прийнятого способу, так і від режиму наплавлення. Різні дугові методи наплавлення відрізняються один від одного тепловою підготовкою основних металів, що наплавляються. Так, наприклад, при плазмовому наплавленні з струмопровідним присадним дротом тепло-вкладення переважно здійснюють в присадний дріт, основний метал підігрівається такими, що досягають його поверхні остигаючими потоками плазми дуги і теплотою перегрітого рідкого металу, що наплавляється. Проплавлення основного металу в цьому випадку може бути помітно зменшене. Навпаки, при дузі прямої дії, коли на основному металі розташовується катодна або анодна пляма дуги, обмежити розплавлення основного металу значно важче, особливо при значному зосередженні дугового розряду (зменшенні діаметру плавкого електроду, збільшенні щільності струму в електроді). Розосередження тепло вкладення в основний метал, наприклад при стрічковому електроді, коли дуга переміщається по торцю стрічки від одного кінця до іншого і іноді виникає одночасно в декількох місцях, може помітно знизити частку основного металу, що розплавляється. При ручному дуговому наплавленні покритими електродами, а особливо при механізованому наплавленні плавким електродним дротом в середовищі захисних газів або під флюсом, частка основного металу в наплавленому шарі γ°, як правило, не може бути, без небезпеки отримання непроварення, знижена менш ніж до 0,2 мм.

Співставлення часток участі основного металу в 1-м шарі стосовно наплавлення хромонікелевої аустенітної сталі на низковуглецеву різними способами наплавлення на звичайних режимах наведено у вигляді діаграми на малюнку 1. Природно, що γ° залежить також від властивостей основних металів, що наплавляються, зокрема від їх температури плавлення. Наприклад, дугове наплавлення покритими електродами, що забезпечують наплавлений метал типу алюмінієвої бронзи (Тпл = 1000°С), на низковуглецеву сталь дає меншу частку γ°, чим показано на мал. 1 для того ж способу наплавлення, але високолегованій сталі (Тпл = 1420 °С). Певну роль в цьому зниженні α° грає і збільшення коефіцієнта наплавлення α_н (г/А*год), який при бронзових електродах складає ~18 г/(А*год), а при електродах з високолегованої сталі ~13 г/(А*год).

Рисунок 1.5 Частка участі основного металу в першому шарі наплавлення (хромонікелева аустенітна сталь), виконаного різними способами на звичайних режимах 1 - автоматична під флюсом; 2 - ручна дугова покритими електродами; 3 -автоматична під флюсом з додатковим присадним дротом; 4 - автоматична під флюсом стрічковим електродом; 5 - плазмовим струменем з струмопровідним дротом

Аналогічно може впливати і застосування при наплавленні, що виконується під флюсом або в захисних газах, електродної стрічки, спресованої з порошків, в порівнянні з прокатною. Більший електричний опір спресованої стрічки і її менша теплопровідність призводять до швидшого її розплавлення і можливого зменшення частки основного металу в наплавленому шарі.

Широке застосування на сьогодні знаходять плазмові методи наплавлення і напилення. Найбільшого розповсюдження набуло плазмово-порошкове наплавлення. При плазмовому наплавленні забезпечується висока якість наплавленого металу, мала глибина проплавлення основного металу при високій міцності зчеплення, можливість наплавлення тонких шарів.

В різних випадках при наплавленні необхідно комплексно вирішувати низку складних запитань: вибір матеріалу, що забезпечує відповідність умовам експлуатаційні властивості; можливість наплавлення цього матеріалу безпосередньо на основний метал деталі або підбір матеріалу для наплавлення підшару; вибір способу і режиму наплавлення, форми і методів виготовлення наплавлювальних матеріалів; вибір термічного режиму для виконання наплавлення (супутнього підігріву для виключення отримання крихких зон, що підгартовують, в металі деталі або в крихкому наплавленому шарі; інтенсифікації охолоджування деталі, що наплавляється, коли для металу небажане тривале перебування при високих температурах); встановлення необхідності подальшої термічної (загальної або місцевої) обробки (для отримання необхідних експлуатаційних характеристик або можливості проміжної механічної обробки).