Способы наплавки цветных металлов

Восстановление деталей наплавкой металла

Наплавкой называется процесс нанесения одного расплавленного металла (называемого присадочным) на поверхность другого (называемого основным). При этом основной металл также расплавляется на небольшую глубину для образования гомогенного соединения. Цель наплавки может быть различной: восстановление утраченной геометрии детали или придание ей новой формы, образование поверхностного слоя с заданными физико-механическими свойствами (такими как повышенная твердость, износостойкость, антифрикционность, коррозионная стойкость, жаростойкость и пр.), упрочнение наплавкой.

Наплавку можно производить на любые поверхности — плоские, конические, цилиндрические, сферические. В больших пределах может меняться и ее толщина — от нескольких долей миллиметра до сантиметра и более.

Основные принципы наплавки

  • Необходимо стремиться к минимальному проплавлению основного металла. Это достигается путем наклона электрода в сторону, обратную ходу наплавки.
  • Должно быть как можно меньшее перемешивание наплавленного металла с основным.
  • Нужно стараться достичь минимальных остаточных напряжений и деформаций в детали. Это требование во многом обеспечивается соблюдением двух предшествующих.
  • Необходимо снижать до приемлемых значений припуски на последующую обработку детали. Говоря другими словами, нужно наплавлять металла ровно столько, сколько необходимо, и не больше.

Применяются различные способы наплавки металла — электродуговая, газовая, электрошлаковая, индукционная, плазменная, импульсно-дуговая, вибродуговая, порошковая наплавки. Наибольшее распространение получила дуговая наплавка.

Материалы для наплавки существуют в различных формах. Это могут быть присадочные прутки, порошкообразные смеси, наплавочные покрытые электроды, порошковая и цельностержневая проволока. В электродуговой наплавке применяются в основном покрытые электроды, присадочные прутки и проволока.

Наплавка покрытыми электродами

Наплавка требует определенных навыков в работе. Надо при минимальном токе и напряжении, чтобы не увеличивать долю основного металла в наплавленном, оплавить оба компонента. Состав металла будет определять тип электрода, а толщину и форму — диаметр электрода. Напряжение дуги определяет форму наплавленного валика, при его повышении увеличивается ширина и уменьшается высота валика, возрастает длина дуги и окисляемость легирующих примесей, особенно углерода. В связи с этим стремятся к минимальному напряжению, которое должно согласовываться с током дуги.

Наплавка деталей из стали осуществляется, как правило, постоянным током обратной полярности (на электроде «плюс») в нижнем положении.

Детали из низкоуглеродистых и низколегированных сталей наплавляют обычно без предварительно нагрева. Но нередко требуется предварительный подогрев и последующая термообработка с целью снятия внутренних напряжений. Более детальные требования к наплавке сообщаются в документации на применяемые наплавочные электроды. Например, для электрода ОЗИ-3 приводятся следующие технологические особенности: «Наплавку производят в один-четыре слоя с предварительным подогревом до температуры 300-600°С. После наплавки рекомендуется медленное охлаждение. Возможна наплавка ванным способом на повышенных режимах. Прокалка перед наплавкой: 350°С, 1 ч.»

Поверхность детали перед наплавкой очищается от масла, ржавчины и других загрязнений.

Применяются различные схемы расположения наплавочных швов. В случае плоских поверхностей различают два основных вида наплавки — использование узких валиков с перекрытием друг друга на 0,3-0,4 их ширины, и широких, полученных увеличенными поперечными движениями электрода относительно направления прохода.

Другой способ — укладка узких валиков на некотором расстоянии один от другого. При этом шлак удаляют после наложения нескольких валиков. После этого валики наплавляются и в промежутках.

Во избежание коробления деталей, наплавление рекомендуется проводить отдельными участками, «вразброс», а укладку каждого последующего валика начинать с противоположной стороны по отношению к предыдущему.

Наплавка цилиндрической поверхности выполняется тремя способами — валиками вдоль образующей цилиндра, валиками по замкнутым окружностям и по винтовой линии. Последний вариант (по винтовой линии) является особенно удобным в случае механизированной наплавки, при которой детали в процессе наплавки придается равномерное вращение.

Для восстановления и повышения срока службы режущего, штампового и измерительного инструмента, а также деталей механизмов, работающих при интенсивном износе, применяется наплавка рабочих поверхностей твердыми сплавами, представляющими собой соединения таких металлов, как титан, вольфрам, тантал, марганец, хром и других с бором, углеродом, кобальтом, железом, никелем и пр.

При изготовлении новых инструментов и деталей с твердосплавной наплавкой, в качестве заготовок (оснований) применяются детали из углеродистых или легированных сталей. В случае ремонта деталей с большим износом, перед наплавкой твердыми сплавами делают предварительную наплавку электродами из малоуглеродистой стали.

Для получения более качественной наплавки, предупреждения образования трещин и снижения напряжений, во многих случаях целесообразен подогрев заготовок до температуры 300°C и выше.

Наплавка металлорежущего инструмента и штампов. Металлорежущие инструменты и штампы, работающие при холодной и горячей штамповке, наплавляют электродами ОЗИ-3, ОЗИ-5, ОЗИ-6, ЦС-1, ЦИ-1М и прочие марки. Металл, наплавленный этими электродами, обладает высокой сопротивляемостью к истиранию и смятию при больших удельных нагрузках и высоких температурах — до 650-850°C. Твердость наплавленного слоя без термообработки составляет от 52 HRC (ОЗИ-5) до 61 HRC (ОЗИ-3). Наплавляется 1-3 слоя общей толщиной 2-6 мм. Деталь перед наплавкой подогревают до температуры 300-700°С (в зависимости от марки электрода).

Читайте также:  Урна металл с деревом

Наплавка деталей, работающих на истирание без ударных нагрузок. Если требуется получить наплавленный металл особо высокой твердости, можно использовать электроды для наплавки Т-590 и Т-620. Они специально предназначены для покрытия деталей, работающих на интенсивное истирание. Их стержень изготовлен из малоуглеродистой стали, зато в покрытия входят феррохром, ферротитан, ферробор, карбид бора и графит. Благодаря этим материалам твердость наплавленного металла может достигать 62-64 единиц по HRC.

Из-за того, что наплавленный металл обладает хрупкостью и склонностью к образованию трещин, изделия, наплавленные электродами Т-590 и Т-620, не предназначены для эксплуатации в условиях значительных ударных нагрузок. Наплавка твердосплавного металла производится в один-два слоя. Если требуется наплавлять большую толщину, нижние слои наплавляются электродами из малоуглеродистой стали и лишь заключительные — твердосплавными.

Наплавка деталей, работающих на истирание с ударными нагрузками. Детали из марганцовистых сталей (110Г13Л и подобные ей), работающие в условиях интенсивного поверхностного износа и высоких ударных нагрузок (в частности, рабочие органы строительного и землеройного оборудования), наплавляют электродами ОМГ-Н, ЦНИИН-4, ОЗН-7М, ОЗН-400М, ОЗН-300М и прочие марки. При их использовании твердость наплавляемого металла во втором слое получается 45-65 HRC при высоких значениях вязкости.

Наплавка нержавеющих сталей. Для наплавки деталей из нержавеющих сталей применяются электроды ЦН-6Л, ЦН-12М-67 и прочие марки. Стержень этих электродов изготовлен из нержавеющей высоколегированной проволоки. Кроме высокой коррозионной стойкости, наплавленный металл имеет еще и устойчивость к задиранию, что позволяет использовать эти электроды для наплавки уплотнительных поверхностей в арматурных изделиях.

При использовании некоторых электродов для наплавки нержавеющих сталей, рекомендуется производить предварительный и сопутствующий подогрев детали до температуры 300-600°С и осуществлять после наплавки термообработку.

Наплавка меди и ее сплавов. Наплавка меди и ее сплавов (бронз) может осуществляться не только на медное или бронзовое основание, но также на сталь и чугун. В этом случае создаются биметаллические изделия, имеющие необходимые эксплуатационные качества (высокую стойкость против коррозии, низкий коэффициент трения и прочие ценные свойства, присущие меди и ее сплавам) и обладающие при этом гораздо более низкой стоимостью в сравнении с деталями, изготовленными полностью из меди или ее сплавов.

Алюминиевые бронзы, в частности, обладающие высокими антифрикционными свойствами, очень хорошо работают в узлах трения, поэтому их наплавляют на червячные колеса, сухари и другие детали, работающие в условиях трения.

Наплавка деталей из технически чистой меди может производиться электродами «Комсомолец-100» или присадочными прутками из меди или ее сплавов. При наплавке меди на медь применяют предварительный подогрев до температуры 300-500°С.

Наплавленный слой желательно подвергать проковке, при температуре меди выше 500°С.

Если требуется наплавка бронзой, можно использовать электроды ОЗБ-2М, содержащие помимо, составляющей основу, меди также олово, марганец, никель и железо. Изделия, наплавленные электродами ОЗБ-2М, имеют высокую поверхностную износостойкость.

Наплавка меди и ее сплавов производится постоянным током обратной полярности в нижнем положении.

Наплавка в среде защитных газов

При восстановлении наплавкой деталей из углеродистых сталей можно использовать более дешевый углекислый газ. Учитывая тот факт, что CO2 окисляет расплавленный металл, наплавочная проволока в этом случае должна иметь раскислители (марганец, кремний и пр.).

Наплавку меди и ее сплавов можно производить в азоте, который нейтрален по отношению к меди.

Высоколегированные стали, сплавы на магниевой и алюминиевой основе наплавляются в аргоне, гелии или их смеси.

Наплавку неплавящимся вольфрамовым электродом осуществляют в аргоне и гелии. Вообще, инертные газы, особенно, аргон, являются универсальными, подходящими для сварки и наплавки практически любого металла.

В качестве материалов для наплавки полуавтоматами углеродистых и низколегированных сталей применяются сварочные проволоки сплошного сечения (Св-08ГС, Св-08Г2С, Св-12ГС), и специальные наплавочные (Нп-40, Нп-50, Нп-30ХГСА). Для наплавки нержавейки применяют проволоку из нержавеющей стали. Может осуществляться наплавка и порошковой проволокой, позволяющей получить наплавленный слой с особыми свойствами.

При восстановлении деталей наплавкой методом MIG/MAG применяют как и в случае MMA постоянный ток обратной полярности, обеспечивающий меньшее проплавление основного металла. При использовании вольфрамового электрода (метод TIG) используют прямую полярность, исключающую оплавление вольфрамового электрода. Наплавку нужно стараться вести как можно более короткой дугой — во избежание разбрызгивания металла.

Источник

Основные способы дуговой наплавки цветных металлов и сплавов для получения биметаллических изделий

Наплавка металла применяется для восстановления геометрии изношенных деталей машин и механизмов, формирования упрочняющих слоев металла на поверхности изделий и создания биметаллических структур.

По своей сути наплавка — это один из видов сварочных технологий, т. к. она основана на тех же физических и технологических принципах, что и традиционные виды сварки.

Для восстановления и защиты поверхностей деталей с помощью слоя расплавленного металла используют различные способы наплавки, отличающиеся друг от друга методами плавления и составами сварочной среды: электродуговые, газопламенные, плазменные, лазерные, индукционные и пр.

С помощью этой технологии можно наплавлять на рабочие плоскости стальных конструкций металлы различного химического состава, в том числе медь, бронзу, чугун, а также никелевые, кобальтовые и хромовые сплавы.

Особенности технологии и процесса наплавки

Технология наплавки позволяет добиться не только надежного сцепления наносимого металла с основой, но и получить требуемые физические и химические характеристики наплавленного слоя.

Читайте также:  Монтажная пена как влияет на металл

Первое достигается качественной подготовкой базового изделия и точным соблюдением технологических режимов, а второе — правильным подбором сварочных материалов.

Сущность наплавки состоит в равномерном нанесении узких полос расплавленного металла на поверхность детали таким образом, чтобы они соединились в сплошной металлический слой заданной толщины. При нанесении защитных покрытий он может составлять десятые доли миллиметра, а при восстановлении изношенных деталей — до десяти миллиметров.

В последнем случае должна быть обеспечена толщина припуска, достаточная для механической обработки детали (обточки, расточки или фрезеровки) до требуемого размера. Перед механообработкой наплавленный слой, как правило, отжигают, а после подвергают закалке с отпуском.

Виды наплавки металла

Технология наплавки должна обеспечивать как качество наплавленного слоя, так и минимальное воздействие на металл базовой детали, чтобы избежать ее деформации.
Кроме того, разные способы наплавки имеют различные скорости обработки и отличаются расходом сварочных материалов на единицу наплавленного металла. Каждый из них характеризуется собственным соотношением качества с производственными и экономическими показателями.

При этом в условиях реального производства наплавка деталей может выполняться не самым удачным способом. К примеру, многие предприятия не располагают оборудованием для электрошлакового наплавления, которое кратно экономит электроэнергию и наплавочные порошки, и применяют для тех же целей электродуговые методы.

Большинство наплавочных технологий ориентированы на работу с изделиями из стали, в том числе с нанесением на нее покрытий из цветных металлов. Как правило, среди них выделяются следующие виды:

  • электродуговая;
  • вибродуговая;
  • газопламенная;
  • плазменная;
  • лазерная;
  • индукционная;
  • электрошлаковая;
  • электроискровая.

Отдельной разновидностью этих технологий является наплавка баббитами, которая производится при температурах +300…+400 ºC с использованием газопламенного нагрева.

Электродуговая наплавка

Чаще всего для наплавления металла применяют традиционное электродуговое оборудование. При ручной дуговой наплавке это стандартные выпрямители и инверторы постоянного тока, подключенные плюсом на электрод, а минусом — на деталь.

Такая схема включения используется для снижения глубины проплавления и общего нагрева изделия. Вручную металлы наплавляют как штучными обмазанными электродами, так и с помощью аппаратов с нерасходуемыми электродами и полуавтоматов с защитной средой из газа.

Ручная электродуговая наплавка угольными электродами с использованием порошковых смесей применяется для создания упрочняющих поверхностных слоев. В этом случае для обеспечения устойчивого плавления металла в присадочном порошке применяют включение с прямой полярностью (плюс на детали), повышающее нагрев поверхностного слоя изделия.

В составе механизированного наплавочного оборудования обычно используют сварочные полуавтоматы с подачей сплошной или порошковой проволоки, позволяющей вести работу под флюсом.

Такие установки имеют высокую производительность и обеспечивают высокое качество наплавленной поверхности. На видео ниже показано восстановление слоя металла в посадочном отверстии детали горной техники в автоматическом режиме.

Основному процессу предшествует зачистка металла с помощью прямошлифовальной машинки и разогрев места наплавления газовой горелкой. В качестве присадочного материала используется наплавочная проволока с омеднением.

Вибродуговая наплавка с применением проволоки

Вибродуговая наплавка применяется для нанесения металла толщиной менее одного миллиметра с минимальным нагревом верхнего слоя основы.
Эта технология представляет собой прерывистый сварочный процесс, во время которого электрод совершает колебательные движения в осевом направлении с частотой до ста герц и амплитудой от 0.3 до 3 мм.

В результате таких колебаний время существования дуги составляет около одной пятой от времени всего рабочего цикла и на поверхность переносится малое количество металла. Поэтому глубина провара получается небольшой, а тепловое воздействие на основную деталь — минимальным.

Вибродуговое наплавление выполняют с помощью полуавтоматов, оснащенных специальными электромеханическими устройствами прерывистой подачи, при этом используется проволока для наплавки диаметром 1.6÷2 мм.

Процесс наплавления осуществляется в защитной среде из газа, водных растворов или пены.

Газопламенная наплавка

Газопламенная наплавка считается самым простым и доступным способом наплавления металла, при котором источником тепла служит пламя горящего ацетилена или пропан-бутановой смеси.

В качестве присадочного материала обычно применяется сварочная проволока или прутки, которые подаются в зону сварки ручным или механизированным способом, а для флюсов чаще всего используют смеси на основе буры и борной кислоты.

Детали небольшого размера наплавляют без предварительного разогрева, а крупные перед наплавкой необходимо нагревать до температуры не менее 500 ºC.

Кроме проволочных и прутковых присадок, при газопламенном наплавлении также используют порошковые, которые направляются в газовую струю из специального накопителя, плавятся в потоке пламени и в виде мелких капель металла оседают на поверхности детали.

Плазменная наплавка

Плазменная наплавка выполняется на специальных сварочных аппаратах, которые называются плазмотронами. Главным элементом такого оборудования является специальная горелка, в которой формируется поток газовой плазмы, достигающий температуры в несколько десятков тысяч градусов.
При плазменной наплавке применяют традиционные присадочные материалы, в том числе и гранулированные смеси, которые подают в рабочую зону механизированным способом.

Этот вид наплавочной технологии характеризуется небольшой глубиной проплавления основной детали в сочетании с качественной структурой наплавленного слоя металла.

Электрошлаковая наплавка

Электрошлаковая наплавка — это термический процесс, при котором источником нагрева гранулированной присадочной смеси, наносимой на поверхность детали, является шлаковая ванна.

Читайте также:  Деревообработка на токарном станке по металлу

Такое устройство представляет собой небольшую емкость с кристаллизатором, перемещаемую вдоль поверхности базовой детали. Сверху в нее опускается плавящийся электрод или подается гранулированная присадка, при этом плавление металла происходит под слоем шлака и флюса, защищающего зону наплавления от нежелательного воздействия атмосферных газов.

Вертикальное расположение шлаковой ванны способствует всплыванию пузырьков газа и частиц шлака, что способствует уменьшению количества пор и твердых включений в наплавленном металле.

Кроме того, шлаковый слой защищает от разбрызгивания металла и сохраняет тепло рабочей зоны, поэтому эта технология характеризуется пониженным энергопотреблением. Одними из немногих ее недостатков являются повышенная сложность технологического процесса и невозможность работы с деталями малого размера и сложной конфигурации.

Лазерная наплавка

Лазерная наплавка работает по тому же принципу, что и порошковые плазменная и газопламенная. Здесь также создается поток присадочного материала из порошка с соединениями металлов и флюса, только его расплавление производится при помощи сфокусированного луча лазера.
Основным элементом лазерных установок является специальная головка с соплом, в котором образуется нагретый лазером поток газа, и порошковым инжектором, впрыскивающим в этот поток присадочный порошок.

По сравнению с другими видами наплавочных технологий лазерная наплавка характеризуется высокой точностью и стабильностью технологических режимов.

Индукционная наплавка

Индукционная наплавка основана на расплавлении присадочного материала и верхнего слоя металла вихревыми токами, наводимыми на поверхность изделия с помощью высокочастотного поля.
Для этого на участок детали, предназначенный к наплавлению металлом, вначале наносится слой присадочного материала с флюсом. Затем над ним на небольшом расстоянии размещается индуктор, представляющий собой несколько витков медной трубки или шинки, на которую подается высокочастотное напряжение.

Глубина проплавления металла базовой детали зависит от частоты тока индуктора: чем выше частота, тем на меньшую глубину проникают вихревые токи. Этот метод наплавления имеет одну из самых высоких производительностей и обеспечивает минимальный нагрев металла изделия.

Электроискровая наплавка

Электроискровая наплавка — это одна из разновидностей электроэрозионной обработки, основанной на воздействии кратковременных электрических разрядов на поверхность металлического изделия.

Основные элементы электроискровой установки — это электромагнитный осциллятор и электрод, из которого при искровых разрядах вырываются частицы металла. Поскольку ионы металлов обладают положительным зарядом, электрод подключается к плюсу, а деталь — к минусу.

С помощью электроискрового метода наносят покрытия толщиной от нескольких микрон до 0.5 мм. При этом наплавленный металл получается плотным и мелкопористым, что способствует хорошему удержанию масла на поверхностях трения.

Одно из главных достоинств этой технологии — практически полное отсутствие нагрева обрабатываемой поверхности, что позволяет избежать деформации изделия и изменения структуры металла.

Газопламенная наплавка цветных металлов

Газопламенным методом направляют латунь. Для наплавки меди и бронзы целесообразно использовать дуговые методы наплавки. Латунь направляют на стальные и чугунные детали. Горючим газом может быть ацетилен и его заменители. Последние используют для наплавки кремнистой латуни с использованием флюсов.

Чтобы избежать образования трещин газовое пламя должны быть нормальным. В зависимости от высоты наплавляемого слоя который необходимо получить выбирается наконечник горелки и диаметр присадочной проволоки.

Смотрите режимы газопламенной наплавки на рисунку ниже.

Материалы для газопламенной наплавки латуни

Присадочная проволока. Для наплавки латуни на черные металлы подойдет подавляющее большинство латунных присадок, кроме тех что изготовлены из кремнистой латуни (ЛК62–05, ЛК80–3 и др.). Кремнистые латуни создают пористый слой на участке сплавления и не обеспечивают надежного соединения с черным металлом.

Хорошо подходят латуни марок ЛК62–02 — с пониженным содержанием кремния, и ЛНК56-03-6 — легированные никелем.

Флюсы. Наплавка металла простыми латунями выполняется с использованием газообразных флюсов БМ-1 или любых других, что и для сварки латуни. Флюс вводят прямо в пламя, поэтому процесс называется газофлюсовой наплавкой. Кремнистые латуни наплавляют с использованием флюс-пасты №3. Флюс вводят в расплавленный металл вручную (кроме газообразных).

Техника газопламенной наплавки латуни

Поверхность наплавляемых деталей подготавливают под наплавку — зачищают до металлического блеска. Поверхность присадочной проволоки очищают от грязи и окисли. Детали больших размеров необходимо подогревать до температуры 500 градусов. При использовании порошкообразных флюсов детали подогревают до 900-950° С. Их используют чаще для наплавки латуни на сталь и чугун.

Наплавку осуществляют левым способом, в нижнем положении. Для наплавки поверхностей разной длины можно наплавлять непрерывными или обратно ступенчатыми валиками. В последнем случае каждый следующий валик должен перекрывать окончание предыдущего на 15-20 мм.

Наплавка может быть одно и многослойной. После нанесения флюса первый слой делают высотой 0,3-0,5 мм. Последний слой делают исходя из необходимой высоты валика. Горелка наклонена под углом 45° к основному металлу.

Во время наплавки прямолинейными слоями можно наклонять деталь под углом до 15° для увеличения высоты наплавленного слоя. При наплавке кольцевых швов угол наклоне не должен превышать 40°. Чтобы избежать испарения цинка необходимо использовать науглероженное пламя. После наплавки швы проковывают при температуре 750-800° C.

Наплавку латуни на чугун следует делать в крайних случаях. Подогревание чугуна до температуры 900-950 градусов приводит к выгоранию графита, продукты сгорания которого трудно смачиваются. Поэтому необходимо сразу выпалить графит с поверхностных слоев чугуна науглероженным пламям и зачистить щеткой.

Источник

Поделиться с друзьями
Металл