Наплавка низкоэнергетическими электронными пучками

Метод электроннолучевой наплавки покрытий низкоэнергетическими электронными пучками в вакууме в силу своей большей изученности, эко­номических, и экологических преимуществ, технической доступности и про­стоты представляет собой большую перспективу для создания защитных по­крытий, чем наплавка РЭП.

Преимущества низкоэнергетических пучков в вакууме:

- наибольший термический КПД нагрева (например, 75 % в сравнении с
15 % для лазерного нагрева);

- значительно меньшие энергозатраты (на один порядок ниже, чем при
высокочастотной импульсной закалке);

- вакуумное рафинирование и дегазация металла покрытия в процессе
обработки;

- отсутствие необходимости в дорогостоящих защитных и закалочных средах
(аргон, гелий, масло, растворы солей и др.);

- экологическая чистота из-за отсутствия вредных выбросов в атмосферу;

- легкость в управлении энерговложением и перемещением низкоэнергетических электронных пучков;

- сравнительно невысокая стоимость оборудования (в 2...3 раза ниже лазерного при одинаковой мощности и в 10 раз ниже стоимости промышленных
электронных ускорителей типа ЭЛВ-6).

 

ПЛАКИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ

Наплавочные процессы с использованием различных источников теплоты (электрические дуги, газовые, плазменные струи, импульсный высокочастотный нагрев, лазерное, световое излучение, электронные пучки в вакууме и в атмо­сфере воздуха и др.) существенно отличаются от процессов напыления, прежде всего высокой прочностью сцепления и качеством покрытий. Плотность и дру­гие характеристики качества наплавленных покрытий намного выше, а порис­тость ниже, чем у напыленных.

в

Рис. 10.1

Схема поверхности плазменного покрытия (а), плазменного покрытия частично оплавленного (б), полностью оплавленного лучом (в). 1 - абразивная частица, 2 - частица плазменного покрытия, 3 - пора, 4 - покрытие оплавленное элек­тронным лучом, 5 - подложка; V_а- скорость абразива; 40...50 м/с, а - угол со­ударения частицы с поверхностью

Но при этом газодинамические, гидродинамические процессы, проис­ходящие в жидкой металлической ванне при наплавке покрытий, существенно осложняют получение их высокого качества, особенно при использовании но­вой номенклатуры наплавочных материалов. Кроме того, существует целый ряд напыляемых износостойких материалов, которые невозможно наплавить или получить при наплавке их удовлетворительное качество (например, окисел алюминия Аl₂Оз).

Рис. 10.2. Установка для электроннолучевой обработки сплавов

ВИБРОДУГОВАЯ НАПЛАВКА

Этот метод основан на использовании тепла кратковременной дуги, которая возникает в момент разрыва цепи между вибрирующим электродом и наплавляе­мой поверхностью.

Особенность этого способа:

-получение малой толщины наплавляемого слоя,

-прерывистый характер процесса

-непрерывное охлаждение поверхности наплавки.

Вибродуговая наплавка применяется для цилиндрических деталей неболь­шого размера, особенно при ремонте деталей автомобилей и тракторов, станоч­ного оборудования (оси, валы, шпиндели, шлицевые валики). За счет вибра­ции электродной проволоки (амплитуда - 0,5-3,0 мм) обеспечивается чередова­ние кратковременной дуги, коротких замыканий и холостого хода Деталь, закрепленная в центрах или в патроне станка, равномерно вращается с не­обходимой скоростью. Для получения наплавленного слоя по ее длине сва­рочная (вибродуговая) головка перемещается вдоль наплавляемой детали. Электрод и деталь оплавляются за счет дугового разряда. Перенос металла, образующегося в виде капли на конце электрода в период горения дуги, про­исходит преимущественно во время короткого замыкания. Перенос металла не­большими каплями облегчает формирование ровных плотных слоев наплав­ленного металла.

При этом процессе горения дуги достигается хорошее формирование, наплавлен­ ных валиков, обеспечивается возможность наплавки тонких валиков, площадь сечения которых близка к площади сечения проволоки. При необходимости время горения дуги может быть увеличено включением в сварочную цепь дроссе­ ля или уменьшено включением конденсатора параллельно разрядному проме­жутку. Для улучшения условий горения дуги в зону наплавки подается охлаж­дающая жидкость, которая содержит соли; в ее состав вводятся ионизирующие элементы. В качестве охлаждающей жидкости чаще всего применяют водный раствор кальцинированной соды или 20% -ный водный рас­ твор глицерина.

Применение флюса обеспечивает спокойное горение дуги и замедленное остыва­ние металла, что предотвращает образование трещин. В этом случае наплавочная установка дополнительно оснащается устройством для удержания флюса. Так как при вибродуговом способе происходит быстрое охлаждение маленьких пор­ций расплавленного металла, то возникает возможность наплавки деталей ма­ лых диаметров.

Вибродуговая наплавка особенно эффективна при восстановлении изношенных деталей, у которых допускаемый износ составляет менее 1 мм. Вибродуговой наплавкой восстанавливают стальные и чугунные детали, на которых необходи­мо нанести равномерный тонкий слой наплавки при их минимальной дефор­мации, допускающей отдельные незначительные дефекты наплавки.

Преимущества вибродуговой наплавки:

-незначительный нагрев деталей;

-малая деформация детали в процессе наплавки;

-получение твердой поверхности без термообработки;

-несложное оборудования;

- высокая производительность;

-получение равномерного слоя наплавленного металла. Недостаток вибродугового способа наплавки:

-непрерывное охлаждение и прерывистый характер процесса способствует образованию мелких газовых пор, которые вызывают неравномерную твердость наплавленного слоя.

Кроме того развиваются новые технологические направления модификации. К ним следует отнести наплавку в среде углекислого газа, водяного пара, в потоке воздуха и т.д. Разработаны и внедряются также методы механической, термиче­ской, термомеханической и ультразвуковой обработки металла, наплавленного вибродуговым способом.

Также применяется способ двухэлектродной вибродуговой наплавки, в отличие от одноэлектродной имеет более высокую производительность (до двух раз) и меньший расход электроэнергии на единицу наплавленного металла (на 20-25%).

Существенной особенностью двухэлектродной вибродуговой наплавки является то, что электроды вибрируют со смещением фазы амплитуд на 180°, т.е. во время замыкания одного электрода на сварочную ванну, второй находится на наиболь­шем расстоянии от нее.

Рекомендуемые ориентировочные режимы вибродуговой наплавки, а также диаметры проволоки (в зависимости от толщины наплавляемого слоя) выби­раются по табличным данным.

Твердость наплавленного слоя зависит от марки электродной проволоки и ре­жимов наплавки.

Вибродуговую наплавку характеризуют следующие показатели:

- потери электродного металла на угар и разбрызгивание
11-30%;

- коэффициент наплавки ψ_н= 8-11 г/А • ч;

- коэффициент перехода из проволоки в наплавленный     металл
для углерода 0,40-0,50, для марганца - 0,50-0,60;

- стоимость  восстановления деталей  в  большинстве  случаев
10-30% стоимости новой детали;

- коэффициент расплавления порошковой проволоки а_р и потерьψ, шири­
на b и высота h_н, глубина проплавления h;

- кроющая способность шлака Ѳ=S_m/S_b, где S_m и S_b - площади
поверхности наплавленного валика.

При обычно применяемых режимах вибродуговой наплавки коэффициент расплавления составляет 9-12 г/А • ч, коэффициент наплавки 8-10 г/А • ч, поте­ри электродного материала на угар и разбрызгивание 11-15%, количество на­плавленного металла 1,2-1,5 кг/ч, коэффициент перехода углерода в наплав­ленный металл 0,45-0,55, марганца 0,45-0,60.

Пример. Толкатели клапанов двигателей наплавляют вибродуговой наплав­кой на переоборудованном токарном станке наплавочной головкой, смонтиро­ванной на суппорте.

Толкатель обезжиривают и устанавливают в патрон токарного станка, где наплавляемую поверхность зачищают до металлического блеска.

Режим наплавки: сила тока, А                                    120-160
напряжение на дуге, В                                                     14-16

Наплавку начинают с кромки цилиндрической поверхности от тарелки в сторону стержня. Толкатели клапанов двигателей ГАЗ-51 наплавляют на длину 24 и 15,5 мм, двигателей ЗИЛ-120 на всю длину до диаметра 17,0 мм.

Для лучшей механической обработки наплавленный металл,
подвергают        отпуску токами высокой частоты. Затем наплавленную часть толкателя обтачивают на станке и подвергают поверхностной закалке токами высокой частоты до 51,0 НRC после чего шлифуют.

ЭЛЕКТРОШЛАКОВАЯ НАПЛАВКА

Этот процесс основан на выделении тепла электрического разряда в ванне расплавленного флюса. Электрошлаковая наплавка используется для изготов­ления биметаллических деталей, а также для получения износостойких по­крытий. В процессе наплавки электрический ток проходит через расплавлен­ный сварочный флюс, в результате чего выделяется тепло, необходимое для расплавления кромок деталей и электрода. Электрод подается в ванну, состоя­щую из жидкого флюса, ограниченную расплавляемой поверхностью и специ­альным формирующим устройством.

Формирующим устройством могут служить графитовые, медные или стальные накладки, Применяемые флюсы должны иметь определенную вязкость и электропроводность. При использовании флюсов с малой окислительной спо­собностью имеют место незначительные потери легирующих элементов на­плавки.

Электродами для наплавки могут быть сварочные проволоки, а также ленты или стержни большого сечения. Температура вследствие низкой электро- и те­плопроводности достигает более 2000°С. Скорость плавления электрода очень велика, коэффициент плавления достигает 30 г/А • ч., потери на разбрызгива­ние практически отсутствуют.

Лучшие условия для наплавления основного металла и получения глубокой шлаковой ванны создаются при вертикальном положении шва, поэтому элек­трошлаковую наплавку чаще всего применяют в сочетании с принудительным формированием сварочного шва. Наплавку начинают и заканчивают с фиксаци­ей детали на специальных технологических планках, которые затем удаляют с детали. В начале, пока процесс еще не установился, наплавленный слой может быть недостаточного качества, эта часть шва и остается на начальной планке, в конце шва планки применяются для выведения усадочной раковины.

В начальный момент возбуждается дуга между электродной проволокой с на­чальной планкой и происходит расплавление засыпанного в зазор флюса. Как только образуется шлаковая ванна, дуга гаснет и ток начинает протекать через расплавленный шлак. Расход флюса в 15-20 раз меньше, чем при электродуго­вой наплавке под флюсом. Подача флюса необходима только для компенсации расхода его на образование шлаковой корки, имеющей толщину 1-1,5 мм. По­дача электродной проволоки и медных ползунов осуществляется специальным сварочным аппаратом. По мере заполнения зазора наплавленным металлом аппарат перемещается вверх по детали. В результате теплопровода в деталь и медные ползуны сварочная ванна охлаждается и затвердевает, образуя на­плавленный слой.

При небольшом объеме шлаковой ванны возможно ее закипание. В резуль­тате этого снижается электропроводность, уменьшается ток, то есть, воз­можно не сплавление электродного металла с основным.

Институтом электросварки им. Е.О.Патона разработано несколько аппаратов для электрошлаковой сварки и плавки, например, аппараты, перемещающиеся по рельсам и непосредственно по детали. Отсутствие электрической дуги, нали­чие активного сопротивления, шунтирующего промежутка, определяет несколько иные требования к источникам питания электрошлакового процесса. Отличи­тельной особенностью электрошлакового процесса является его высокая устой­чивость при очень низкой плотности тока (от 0.1 • 10⁶ А/м²). Наилучшие условия создаются при питании от трансформаторов с жесткими вольт-амперными характеристиками. К тому же трансформаторы обладают меньшим весом при более высоком к.п.д. Формы, размеры и количество электродов выбирают ис­ходя из размеров и формы наплавляемой поверхности. Для износостойкой на­плавки, как правило, используют высоколегированные проволоки.

Легирование наплавляемого металла может осуществляться с помощью по­ рошковых проволок. При электрошлаковой наплавке реакция между расплавлен­ным шлаком и металлом протекает интенсивно вследствие высокой температуры среды сварочной ванны. Поэтому, выбирая марку флюса для наплавки высоколе­гированных сталей, необходимо учитывать его окислительные способности.

Технологические особенности электрошлаковой наплавки заключаются в том, что легирование наплавленного металла, возможно производить толь­ко через проволоку (электрод). Для износостойкой наплавки, как правило, ис­пользуют высоколегированные проволоки.

Легирование наплавляемого металла может осуществляться с помощью порошко­вых проволок. Электрошлаковый процесс позволяет осуществлять наплавку пло­ских поверхностей, наружных и внутренних цилиндрических поверхностей, а также тел вращения с переменным диаметром, с применением электродной проволоки и электрода большого сечения с плавящимся мундштуком. Ре­жим электрошлаковой наплавки зависит от формы и размеров наплавляемой детали и толщины слоя и определяется величиной сварочного тока, напряжением при сварке, глубиной шлаковой ванны, диаметром электродной проволоки, количеством электродов, размером вылета электродной проволоки от мундштука до шлаковой ванны; Электрошлаковая наплавка характеризуется поч­ти полным отсутствием потерь на угар и разбрызгивание, незначительным окислением легирующих элементов и повышенным качеством наплавленного ме­талла (отсутствием пор, трещин, шлаковых включений, непроваров и т.д.).

При изготовлении многослойных покрытий деталей и заготовок для прокатки находят применение различные способы горизонтальной электрошлаковой на­ плавки (ЭШН) с помощью несмешивающихся электродов. Наплавка ведется сразу по всей поверхности большой площади слоем толщиной от 10 до 200 мм. При этом масса наплавленного слоя может достигать 1,0-1,5 т.

Качество наплавленного металла определяется условиями его кристаллиза­ ции.

При ЭШН в горизонтальном положении с применением неплавящихся электродов целесообразно производить быстрый нагрев поверхности основ­ного металла и вести обогрев наплавляемого металла на мощности, обеспечи­вающей требуемое качество и производительность. Наплавка углеродистой и высоколегированной сталей с применением жидкого и твердого присадочных металлов при получении заготовок из износостойких и коррозионностойких биметаллов, происходит в течение 2,0-2,5 ч. Поверхность наплавленного слоя получается, гладкой. В наплавленном слое отсутствуют дефекты усадочного и ликвационного происхождения, металл плотный по всей толщине, одно­роден по химическому составу, характеризуется равномерным распределением неметаллических включений и имеет высокие механические свойства.

Способ ЭШН пригоден как для наплавки толстого слоя с его принудительным формированием, так и для наплавки сравнительно тонкого слоя, толщиной до 3-4 мм, при свободном формировании металла. Процесс используется для на­плавки на плоскость по сложному, в том числе пространственному контуру, и для торцевой наплавки. Область применения электрошлаковой наплавки расши­ряется благодаря возможности сочетать ее с электрошлаковыми литьем и сваркой. Способ позволяет без особых затруднений наплавлять слой с изменяю­щимися по длине заготовок химическим составом и свойствами по заранее за­данным параметрам.

Стыкошлаковая наплавка соединяет в себе технологию электрошлакового литья и сварки металла. Этот технологический прием позволяет получать би­металлические детали, по форме приближающиеся к готовым изделиям.

При ЭШН композиционных сплавов, в шлаковую ванну подаются зернистый материал, плавящиеся электроды в виде пластин или проволок и, расплавляясь, образуют матричный сплав.

При обычной вертикальной электрошлаковой наплавке основная часть тока протекает в ограниченном объеме центральной части шлаковой ванны между торцом электрода и зеркалом металлической ванны.

Сущность процесса автоматической электрошлаковой наплавки лента­ ми (ЭШНЛ) заключается в том, что в сварочную головку вводится два параллельных ленточных электрода с зазором между ними. После зажигания ду­ги под флюсом в пространстве между лентами возникает шлаковая ванна, кото­рая шунтирует дугу. Вследствие этого процесс переходит в электрошлаковый.

Положительной особенностью ЭШНЛ является существенное снижение доли участия основного металла до 7-10% в составе наплавленного металла по сравне­нию с другими способами наплавки. Это объясняется тем, что отсутствует непо­средственное воздействие электрической дуги на основной металл, так как процесс плавления электродных лент бездуговой.

Наплавки, выполненные ЭШНЛ, обладают значительным запасом долговеч­ ности.

Отработанные режимы наплавки для лент различной ширины позволяют по­лучать за один проход высоту наплавленного слоя до 6 мм. При электрошлако­вой наплавке спеченными лентами наплавленный металл отличается высокой степенью однородности.

Перспективен способ широкослойной наплавки под флюсом ленточным элек­тродом сплошного сечения.

Используя нагрев вылета электрода электрическим током (повысив жест­кость ленты при ее профилировании), можно достичь прироста производи­тельности в 1,5 раза без увеличения мощности источника питания.

Способ электрошлаковой наплавки лентами обеспечивает двукратное по­вышение производительности наплавки и высокое качество наплавленного слоя. А также стабильный элек­трошлаковый процесс, хорошее формирование и отделимость шлаковой корки, отсутствие дефектов в наплавленном слое.

Режим наплавки: Icв - 500-550 А; U_Св - 34-36 В; V_н - 10 м/ч; зазор - 14 мм; лента сечением 40*1 мм.

Пример. Стойкость ножей бульдозеров, наплавленных по указанной техно­логии, в 1,2-1,5 раза, а производительность наплавки в 2,5-3 раза выше по сравнению с наплавкой порошковой проволокой.

Промышленная электрошлаковая наплавка ножей горячей резки металла, а также роликов моталок применяется на Череповецком металлургическом заводе.

Для упрочнения зубьев ковшей экскаваторов очень эффективна Стыко шлаковая наплавка.

При этом используется постоянно работающий, неплавящийся электрод, под­держивающий шлаковую ванну в рабочем состоянии. Когда этот электрод по­гружается в ванну, порция жидкого шлака переливается в кристаллизатор, и на­чинается плавление расплавляемого электрода - литой пластины из износостойкого сплава с поперечным сечением 20 мм х 120 мм. В кристаллиза­торе образуется слиток с ориентированной структурой. После того, как слиток достигнет необходимого размера, плавящийся электрод удаляется, а в жидкий шлак погружается хвостовик зуба. После незначительного оплавления торцовой поверхности заготовка глубоко погружается в незатвердевшую (незакристалли-зовавшуюся) часть блока, где она прочно сваривается с острием. Одновременно поднимается неплавящийся электрод, и порция жидкого шлака возвращается в котел. Производительность наплавочной установки в смену составля­ет 40-60 зубьев роторных экскаваторов массой каждого слоя от 7 до 11 кг. Работа проводится при силе тока до 5 кА.

Описанный выше способ наплавки зубьев ковшей роторных экскаваторов пока­зал, что их износостойкость при эксплуатации в 13 раз выше, чем у отливав­шихся ранее из высокомарганцовистой стали. Производство наплавленных зубьев позволило сократить потребность в них на горно-обогатительных пред­приятиях в среднем в 10 раз. В отличие от литых зубьев наплавленные зубья, благодаря оригинальной структуре их острия, изготовленного из сплава с бога­тым содержанием хрома, остаются при изнашивании такими же острыми. Вслед­ствие этого эксплуатация экскаватора облегчается, а потребление энергии снижа­ется.

Модификация электрошлаковой наплавки ленточным электродом. В зоне ме­жду двумя параллельными лентами, подключенными к одному полюсу источ­ника тока, образуется шлаковая ванна. Проходящий ток нагревает шлак до т-ры 2000°С и более. Теплопередача от шлака чрезвычайно интенсивно переносится на ленточный электрод, вследствие чего последний в 2 раза быстрее расплав­ляется, чем при обычной наплавке под флюсом. При наплавке ленточным элек­тродом шириной 60 мм достигается производительность 50 кг/с (машинное вре­мя). Расплавленный металл электродов наплавляется на заготовку в форме маленьких капель. Расплавленный шлак растворяет окислы и нагревает напла­вочную поверхность, вследствие чего достигается лишь очень незначительная глубина проплавления (т.к. нет давления дуги). Наплавку можно произвести также с большей скоростью. При однослойной наплавке достигается слой тол­щиной 2-6 мм. Если потребуется большая толщина, то могут наплавляться не­сколько слоев. Доля основного металла в первом наплавленном слое составляет от 5 до 10%.

Для наплавки используется оборудование серийного производства с незна­чительной модернизацией.

Качество металла, наплавленного ленточными электродами различного состава и сварочным флюсом разных типов, отвечает высоким требованиям как в отно­шении коррозионной стойкости, так и механических свойств при различных температурах испытаний.

Данные методы применяется на многих предприятиях энергетического и хи­мического машиностроения для наплавки заготовок под штамповку днищ, для наплавки фланцев, внутренних поверхностей обечаек и т.д.

Кроме электрошлаковой наплавки начинает применяться плазменно- электрошлаковая. Данный способ позволяет обеспечить большую стабильность и исключает загрязнение металла наплавки продуктами разложения электрода в шлаковой ванне.

Для наплавки в плазмотроне сначала зажигают дежурную дугу (15 А, 40 В, расход аргона 1,3 м/сек), а затем основную плазменную струю между наплав­ляемой поверхностью и электродом плазматрона. В зону действия плазменной струи подается флюс, содержащий элементы с низким потенциалом ионизации(калий, натрий, барий и др.), по мере плавления которого образовыва­ется шлаковая ванна; пары элементов с низким потенциалом ионизации придают устойчивость горению плазменной струи за счет снижения электрического сопро­тивления между поверхностью шлаковой ванны и плазматроном.

При достаточном прогреве стальной пластины в шлаковую ванну подают медную присадочную проволоку диаметром 3 мм с одновременным перемещени­ем плазматрона и формирующего устройства. Это позволяет получать наплавку толщиной 2-3 мм без оплавления стальной основы шириной 15-20 мм за один проход.

Плазменно-электрошлаковый способ наплавки меди на сталь, позволяющий получать наплавленный металл высокой чистоты без внутренних и наружных дефектов, достаточную прочность сцепления и необходимую толщину наплав­ленного слоя, можно применять для исправления дефектов литья, наплавок по­верхностей режущего инструмента и других работ.

Производительность процесса наплавки определяется скоростью подачи элек­тродной проволоки. С увеличением У_п подачи проволоки понижается устойчи­вость электрошлакового процесса и ухудшаются условия кристаллизации; Скорость наплавки при свободном формировании шва является независимым па­раметром режима.

Сварочный ток и рабочее напряжение определяется главным образом внешней характеристикой источника питания, скоростью подачи проволоки и проводимо­стью шлаковой ванны. В качестве источника питания рекомендуется использо­вать трансформаторы с жесткой характеристикой для большей устойчиво­сти процесса. Напряжение должно регулироваться в пределах 35-55 В.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: