СВАРКА, РЕЗКА И ПАЙКА МЕТАЛЛОВ

НАПЛАВКА ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ

В современной технике получают широкое распространение и быстро совершенствуются твёрдые сплавы. Развитие техники применения твёрдых сплавов идёт по двум направлениям: с одной стороны, совершенствуются и улучшаются составы твёрдых сплавов и технология их производства, с другой стороны, совершенствуется техника нанесения твёрдых сплавов на изделия, главным образом техника их наплавки.

Твёрдые сплавы характеризуются прежде всего значительной твёрдостью, имея твёрдости примерно 55—94 Rc - Твёрдые сплавы сохраняют свою твёрдость при нагревании до высоких температур, как правило, не поддаются отпуску и не могут быть смягчены тер­мической обработкой, поэтому механическая обработка твёрдых сплавов весьма трудоёмка и может производиться лишь абразивами, поэтому при наплавке твёрдых сплавов нужно уделять особое вни­мание сведению до минимума последующей механической обра­ботки. Твёрдые сплавы, при весьма высокой твёрдости, естественно обладают малой пластичностью и отличаются хрупкостью, поэтому довольно плохо сопротивляются ударным нагрузкам. Хрупкость твёрдых сплавов сохраняется и при высоких температурах, поэтому они склонны к образованию трещин при наплавке, на что следует обращать особое внимание.

Твёрдые сплавы можно разделить на следующие четыре группы: 1) литые сплавы или стеллиты; 2) порошкообразные или зернооб­разные продукты; 3) керамические или спеченные сплавы; 4) плав­ленные карбиды. Основой всех твёрдых сплавов являются прочные карбиды металлов, не разлагающиеся и не растворяющиеся при высоких температурах. Особенно важны для твёрдых сплавов кар­биды вольфрама, титана, хрома, частично марганца. Карбиды ме­таллов слишком хрупки и часто тугоплавки, поэтому для образова­ния твёрдого сплава зёрна карбидов связываются подходящим ме­таллом; в качестве связки используются железо, никель, кобальт.

Литые сплавы. Литые сплавы могут быть разделены на настоя­щие стеллиты и более дешёвые сплавы — заменители. К настоящим стеллитам относится, например, советский твёрдый сплав В-ЗК. На­стоящие стеллиты представляют собой главным образом карбиды вольфрама и хрома, сцементированные кобальтом и железом.

Вследствие высокого содержания вольфрама и кобальта литые твёрдые сплавы типа настоящих стеллитов достаточно дороги и де­фицитны.

Практика многих лет показала, что литые сплавы — заменители являются значительно более дешёвыми и в большинстве случаев работают вполне хорошо, и поэтому, как не содержащие воль­фрама и кобальта, в последние годы весьма широко применяются в нашей промышленности. Примером такого сплава является со­ветский сплав сормайт, изобретенный в 1929 г. и названный по имени Сормовского завода, где впервые было освоено производ­ство этого сплава.

Сормайт представляет собой железохромистый сплав с неболь­шой добавкой никеля и не содержит вольфрама и кобальта. Твёр­дость сормайту придаёт карбид хрома. Состав некоторых литых твёрдых сплавов приведён в табл. 22.

Таблица 22

Литые сплавы сравнительно легкоплавки, температура их плав­ления несколько ниже температуры плавления сталей и составляет около 1300—1350°. Выпускаются они обычно в виде литых прутков или стержней длиной 300—400 мм, диаметром 5—8 мм, имеющих блестящую серебристо-белую поверхность. Литые сплавы обладают средней твёрдостью Rc=70—80 и применяются главным образом для наплавки рабочих поверхностей, подвергающихся значитель­ному износу, например, штампов, матриц и пуансонов, калибров, шаблонов, деталей машин и механизмов, работающих на трение, и т. п. Сплавы обладают высокой износоустойчивостью, сохраняю­щейся до температур 600—700°, отвечающих началу красного ка­ления.

Наплавка твёрдых сплавов производится преимущественно га­зовой ацетилено-кислородной горелкой и ведётся, как правило,

в два, а иногда и в три слоя. Необходимость многослойной на­плавки диктуется следующим: при наложении первого слоя на­плавка представляет собой сплав твёрдого сплава с расплавленным основным металлом, поэтому такой сплав обладает пониженными твёрдостью и износоустойчивостью и не обеспечивает получения механических свойств чистого твёрдого сплава. Поэтому первый наплавленный слой обычно не может служить рабочей поверх­ностью, а является лишь подкладкой для нанесения второго слоя, который будет представлять собой почти чистый твёрдый сплав и обладать необходимыми механическими свойствами. В некоторых особо ответственных случаях прибегают к наплавке третьего слоя, представляющего собой практически уже чистый переплавленный твёрдый сплав.

Для получения экономичной наплавки твёрдого сплава нужно стремиться к наименьшему расплавлению основного металла на минимальную глубину, но в то же время основной металл должен быть расплавлен по всей поверхности наплавки, иначе неизбежны непровары, которые могут вызвать растрескивание и отслаивание твёрдого слоя при работе наплавленной детали.

Процесс газовой наплавки литого сплава ведётся следующим образом. Для уменьшения напряжений, возникающих в наплавлен­ном слое и возможности образования в нём трещин наплавляемая деталь предварительно подогревается до начала красного каления. Затем поверхность металла осторожно доводится нагреванием го­релкой до начала поверхностного оплавления, т. е. до так назы­ваемого потения металла, когда на его поверхности выступают от­дельные жидкие капельки. Тогда в пламя горелки вводят конец прутка твёрдого сплава и натирают им поверхность детали, разма­зывая твёрдый сплав по поверхности, т. е. как бы облуживая де­таль твёрдым сплавом. При достаточной квалификации сварщика эта операция гарантирует прочное сцепление с основным метал­лом наплавляемого твёрдого сплава при минимальном его расходе. На полученную таким образом подкладку наплавляется твёрдый сплав с минимальным возможным расплавлением ниже лежащего слоя.

Возможна также и дуговая наплавка литых твёрдых сплавов, для чего на прутки сплава наносится обмазка, не содержащая активных окислителей, например, из мрамора, плавикового шпата и т. д., по типу обмазок УОНИ-13. Дуговая наплавка по качеству обычно несколько уступает газовой.

Для дуговой наплавки применяются также специальные элек­троды со стержнем из обычной малоуглеродистой проволоки с тол­стой обмазкой, не содержащей активных окислителей, в которую вводится большое количество феррохрома и ферромарганца. Подоб­ные дешёвые электроды дают удовлетворительную наплавку в тех случаях, когда не предъявляется высоких требований к твёрдости и износостойкости наплавленного слоя. Кроме того, применяются трубчатые электроды, состоящие из стальной тонкостенной трубки, набитой порошкообразным твёрдым сплавом или материалом, об­разующим твёрдый сплав при расплавлении, а снаружи покрытой электродной обмазкой, улучшающей горение дуги и дающей шлако­вую защиту.

Порошкообразные или зернообразные сплавы или продукты

правильнее было бы не называть сплавами, так как они представ­ляют собой не сплав, а порошкообразную смесь, шихту или мате­риал для изготовления сплава и превращаются в твёрдый сплав лишь на поверхности наплавляемой детали в процессе наплавки. Эти сплавы являются наиболее дешёвыми в изготовлении и наплав­ке и поэтому широко применяются в промышленности. По внеш­нему виду эти продукты представляют собой грубозернистый поро­шок или крупку чёрного цвета, состоящую из зёрен величиной 1—3 мм.

Различают два вида порошкообразных продуктов для наплавки: вольфрамовые и не содержащие вольфрама. Вольфрамовый про­дукт представляет собой смесь порошкообразного технического вольфрама или высокопроцентного ферровольфрама с науглерожи­вающими материалами. Советский сплав этого типа носит назва­ние вокар. Изготовляются подобные сплавы следующим образом: порошкообразный технический вольфрам или высокопроцентный ферровольфрам смешивается с такими материалами, как сажа, мо­лотый кокс и т. п., полученная смесь замешивается в густую пасту на смоле или сахарной патоке. Из смеси прессуют брикеты и слегка их обжигают до удаления летучих веществ. После обжига брикеты размалывают и просеивают. Готовый продукт имеет вид чёрных хрупких крупинок величиной 1—3 мм. Характерным признаком вольфрамовых продуктов является их высокий насыпной вес.

В Советском Союзе изобретен порошкообразный сплав, не со­держащий вольфрама и потому весьма дешёвый. Сплав носит на­звание сталинит и имеет весьма широкое распространение в нашей промышленности. Многолетняя практика показала, что несмотря на отсутствие вольфрама сталинит обладает высокими механическими показателями, во многих случаях удовлетворяющими техническим требованиям. Кроме того, благодаря низкой температуре плавления 1300-— 1350° сталинит обладает существенным преимуществом перед вольфрамовым продуктом, который расплавляется лишь при температуре около 2700°. Низкая температура плавления сталинита облегчает наплавку, повышает производительность на­плавки и является существенным техническим преимуществом сталинита.

Основой сталинита является смесь порошкообразных дешёвых ферросплавов, феррохрома и ферромарганца. Процесс изготовления сталинита такой же, как и вольфрамовых продуктов. Сталинит со­держит от 16 до 20% хрома и от 13 до 17% марганца. Твёрдость наплавки по Роквеллу для вокар а 80—82, для сталинита 76—78.

Наплавка сталинита производится угольной дугой по способу Бенардоса. Газовая горелка мало пригодна для наплавки, так как газовое пламя сдувает порошок с Места наплавки. Деталь, подле­жащая наплавке, подогревается до начала красного каления, после чего на поверхность детали насыпается сталинит равномерным слоем толщиной 2—3 мм. Для получения правильных краёв и гра­ней наплавки применяются специальные шаблоны и ограничители из красной меди, графита или угля. На насыпанном слое зажи­гается угольная дуга постоянного тока нормальной полярности при силе тока 150—200 а. Наплавку ведут непрерывно без обры­вов дуги и по возможности без повторного расплавления наплав­ленного слоя.

Ввиду довольно значительного расплавления основного металла угольной дугой первый слой наплавки не обеспечивает необходи­мых свойств и обладает недостаточной твёрдостью, поэтому на­плавку сталинита ведут в два, а иногда и в три слоя. По оконча­нии наплавки слоя, не давая ему остыть, на него насыпают новый слой сталинита и производят наплавку. По окончании наплавки де­тали нужно дать замедленное охлаждение во избежание образова­ния трещин в наплавленном слое, для чего горячую деталь поме­щают в золу, сухой песок, хлопья асбеста, слюды и т. п. Рекомен­дуется по окончании наплавки дать наплавленной детали отжиг при температуре около 900° продолжительностью один-два часа. Отжиг вызывает распадение остаточного аустенита, образующегося при наплавке, с выпадением добавочных карбидов и повышением твёрдости наплавки на две-три единицы по Роквеллу, с одновре­менным устранением внутренних напряжений. За отжигом следует замедленное равномерное охлаждение детали.

Ввиду дешевизны продукта, а также простоты и высокой про­изводительности процесса наплавки, сталинит весьма широко при­меняется в нашей промышленности для самых разнообразных наплавочных работ. Сталинитом наплавляются части всевозможных машин и механизмов, подвергающихся быстрому износу в работе; штампы; рабочие части машин для обработки грунтов и горных пород (землечерпалок, экскаваторов); зубки врубовых машин и т. п. Наплавка вокара производится аналогично наплавке ста­линита.

Керамические или спеченные твёрдые сплавы. Этот важнейший вид твёрдых сплавов, обладающих очень высокой твёрдостью Rc — S6—90, имеет особо важное значение для обработки металлоа резанием, главным образом для оснащения металлорежущего ин­струмента. Керамические сплавы изготовляются на специальных заводах. Основой их, придающей им высокую твёрдость, являются карбиды вольфрама, титана и других элементов.

Карбиды, изготовляемые в специальных электрических печах, подвергаются весьма тонкому размолу, дающему мельчайший поро­шок. Порошкообразный карбид сцементовывается металлическим кобальтом или никелем, обладающим значительной пластичностью, почему керамические сплавы менее хрупки, чем другие виды твёр­дых сплавов, лучше выносят ударную нагрузку и дают стойкое остриё лезвия металлорежущего инструмента, успешно обрабаты­вающее самые твёрдые сорта металлов и сохраняющее стойкость при нагреве до светлокрасного каления.

Количество связки, т. е. кобальта или никеля, в различных мар­ках составляет от 3 до 15%, остальное карбид. В Советском Союзе наиболее известен керамический твёрдый сплав победит, представляющий собой карбид вольфрама, сцементованный ко­бальтом.

Для изготовления металлокерамических сплавов тончайший по­рошок карбида тщательно смешивается с тонким порошком кобаль­та или никеля в надлежащей пропорции. Из полученной смеси прес­суют пластинки и другие изделия. Спрессованные изделия подвер­гают предварительному обжигу, после чего эти изделия получают некоторую прочность, но ещё легко поддаются механической обра­ботке — доводке, которой придают изделиям окончательные размеры, после чего производится второй окончательный обжиг, придающий изделиям высокую механическую прочность и твёрдость. После окончательного обжига металлокерамические сплавы могут обраба­тываться лишь абразивами высших сортов и не поддаются никакой термообработке.

Керамические сплавы чувствительны к высокому перегреву. При нагреве до слишком высокой температуры начинает плавиться кобальтовая или никелевая связка, связь между зёрнами кар­бида ослабляется, в массу сплава проникает кислород воздуха, который производит окисление металла. В результате сплав те­ряет механическую прочность, трескается и рассыпается при работе.

Сплав, испорченный перегревом, нельзя исправить последующей обработкой. Указанная особенность делает невозможной приварку пластинок к державке металлорежущего инструмента. Температура, необходимая для расплавления сплава или по крайней мере для расплавления стали державки, неисправимо портит пластинку ке­рамического сплава.

Пластинки керамических сплавов прикрепляются к державке припайкой медью. Припайка медью производится при температуре (температура плавления меди 1083°), безопасной для прочности керамического сплава, не ухудшающей его структуры. Отличные результаты даёт пайка медью в атмосфере водорода. Припайка пластинок керамических сплавов может производиться также на электрических контактных сварочных машинах.

Плавленые карбиды. Сплавы этого типа обладают наивысшей твёрдостью — до Rc— 92—94, но одновременно и значительной хрупкостью. По химическому составу эти сплавы представляют со­бой более или менее чистый сплавленный карбид вольфрама, ино­гда с добавками других веществ. Сплавы отличаются высокой тем­пературой плавления — около 3000°; выпускаются в форме кусков с острыми гранями. Главная область их применения горная про­мышленность, где они служат для оснащения буровых долот и дру­гого бурового инструмента, в особенности для твёрдых горных пород.

Куски сплава ввариваются в углубления на поверхности изде­лия так, чтобы режущая грань кусочка сплава несколько высту­

пала над поверхностью основного металла. Пространство между кусочками сплава заполняется наплавкой литого или порошкооб­разного сплава. При работе инструмента промежуточный твёрдый сплав изнашивается быстрее, и режущая грань кусочков плавле­ных карбидов выступает над поверхностью инструмента и режет горную породу.