Многоэлектродная наплавка

Физико-химические процессы в шлаковой и металлической ваннах

Окислительные и восстановительные реакции, про­текающие при многоэлектродьой наплавке, обусловли­вают потери углерода и легирующих элементов. Для расчета состава сплава и выяснения эффективности использования (при выбранном способе легирования) вносимых в зону плавления углерода, хрома, марганца, никеля, кремния и других элементов необходимо знать, как они усваиваются ванной.

Оценивая описанные выше способы легирования, необходимо учитывать химическое взаимодействие шла­ка и металла в процессе наплавки. С этих позиций IV и V способы легирования имеют несомненные преиму­щества перед остальными.

Непрерывная наплавка однотипных штучных дета­лей, когда все щели и зазоры между деталями, а также неровности самих деталей заделываются флюсом, обес­печивает герметичность наплавляемой поверхности и постоянство легирования.

Подслой флюса,/имея температуру плавления ниже, чем наплавляемый металл, расплавляясь, хорошо очи­щает поверхность, тем самым подготовляя ее для на­дежного сплавления, что позволяет вести процесс на более мягких режимах, обеспечивающих минимальный провар — самый благоприятный иун наплавке. Всплы­вая в ванне жидкого металла, шлак подслоя дополни­тельно рафинирует металл наплавки как путем хими­ческих реакций, происходящих на поверхности шлако­вой капли в процессе ее всплывания, так и путем меха­нического удаления нерастворившихся примесей.

Более раннее плавление флюса улучшает плавление легирующей шихты. Подслой флюса, выравнивая по­верхность, обеспечивает высокую точность легирования. Легирование путем подачи порошка в ванну жидкого металла обеспечивает ускоренную кристаллизацию ванны, снижает ее температуру, измельчает зерно сплава. Упрощается ведение процесса наплавки из-за постоянного наличия слоя легирующей ШИХ1Л впереди ванны жидкого металла. Эффективно обеспечивается «зонная плавка», когда расплавленная зона один раз проходит вдоль очищаемого образца, а легирующие примеси постоянно контактируют с наиболее легко­плавкой составляющей сплава, что способствует их хорошему плавлению. Последнее преимущество весьма существенно и должно быть пояснено.

При многоэлектродной наплавке определенный ограниченный объем жидкого металла перемещается вдоль наплавляемого изделия, покрытого слоем леги­рующей шихты. Это может быть сравнено с частным случаем «зонной плавки», когда расплавленная зона один раз проходит вдоль очищаемого образца. При этом в расплавленной зоне имеется фронт плавления и фронт кристаллизации. У первого скапливаются наи­более легкоплавкие примеси, а у второго — наиболее тугоплавкие. Наличие у фронта плавления наиболее легкоплавких примесей облегчает плавление легирую­щих примесей, даже тугоплавких. Таким образом, леги­рование по способам IV и V дает значительные преиму­щества перед всеми остальными способами.

Возможность окисления того или иного металла зависит от его сродства к кислороду, определяемого упругостью диссоциации. Металлы с меньшим значе­нием упругости диссоциации имеют большее сродство к кислороду, окисляются в первую очередь и по отно­шению к металлам с большей упругостью являются восстановителями. Значение упругости диссоциации за­висит от температуры.

Изучение металлургических процессов, протекаю­щих при сварке и наплавке, показывает, что интенсив­ность и направление металлургических реакций при сварке и наплавке определяются концентрацией дан­ного элемента в жидком металле и их оксидов в шлаке, температурой в реакционной зоне, величиной поверх­ности и длительностью контактирования реагирующих масс металла и шлака. В свою очередь, концентрация элементов в металле и шлаке определяется исходными материалами: составом электродной проволоки, леги­рующей шихты и флюса, а также степенью обновления шлаковой ванны, т. е. количеством свежего флюса, подаваемого в ванну. Температура и условия контакти­рования зависят от режима процесса.

Способы легирования IV и V предусматривают по­дачу легирующих элементов в ванну жидкого металла, минуя стадию капли. Плавятся же они за счет высокой температуры ванны жидкого металла. Последняя обес­печивается теплотой дуги и расплавленного шлака, а также теплотой перегретых капель электродного металла. Основные металлургические реакции между металлом и шлаком протекают на поверхности ванны жидкого металла и частично в самой ванне двумя путями.

Наличие в составе шлака оксидов марганца и крем­ния при высокой температуре процесса вызывает на границе металл—шлак кремнемарганцевовосстанови­тельные процессы по реакциям:

[Fe] + (МпО) г* (MnJ і - (FeO);

2 [Fe] + (SiOz) [Si] + 2 (FeO).

Восстановленные марганец и кремний переходят в металл, так как в шлаке они практически не раство­ряются. Монооксид железа, хорошо растворяясь в ме­талле и шлаке, распределяется между ними в соответ - ствии с законом распределения Нернста. Количественно константа распределения выражается формулой

k = (FeO)/(FeO],

где (FeO)—концентрация монооксида железа в шла­ке, %; [FeO] — концентрация монооксида железа в ме талле, %. Монооксид железа, перешедший в металл, окисляет легирующие элементы по уравнению

*1Ме] + у (МеО) ^ у [Ме] + (МехОу).

Второй путь окисления металла шлаком состоит в протекании реакций на поверхности шлак—газ:

6 (FeO) - f - {02} = 2 (Fe804), на поверхности металл—шлак:

(Fe,04) + [Fe] = 4FeO.

Часть образовавшегося FeO растворяется в металле и окисляет легирующие примеси, часть — растворяется в шлаке, попадает на поверхность шлак—газ и процесс повторяется.

При многоэлектродной горизонтальной электрошла­ковой наплавке и легировании металла подачей шихты ь слой флюса характер протекания металлургических процессов состоит в следующем,

Низкоуглеромистый электродный металл в виде капель или струй проходит активную зону шлака. Нали­чие в шлаке оксидов марганца и кремния в соответст­вии с законом действующих масс и фактическим соот­ношением концентраций железа и примесей в электрод­ном металле приведет к окислению железа с образо­ванием монооксида железа:

[Fe] + (MnO) ^ [Mn] + (FeO);

2 [Fe] + (Si02) ^ [Si] + 2 (FeO).

Эти реакции будут преобладающими. Реакции окис­ления углерода, марганца, кремния и хрома заметного развития не получат, так как активность элементов в расплаве пропорциональна их процентному содержа­нию. Содержание же этих элементов в проволоке Св-08 ничтожно мало.

Замеры температуры поверхности шлаковой ванны показали, что она лежит в интервале 2400—2600 °С. Ясно, что в активной зоне шлака температура еще выше. В обычном электрошлаковом процессе эта тем­пература составляет 200G—2300 °С [28]. Следовательно, указанные реакции идут в этой зоне слева направо.

По закону распределения монооксид железа из шлака будет переходить в капли электродного металла. Насыщенные монооксидом железа перегретые капли попадают в металлическую ванну, где начинается окисление основных легирующих примесей (углерода, хрома, марганца, никеля и кремния).

Большинство реакций окисления носит обратимый характер. Поэтому в ванне наряду с оксидами приме­сей присутствует моноокись железа. Однако высокая концентрация легирующих примесей и углерода, а так­же длительный период существования ванны жкдкого металла приводят к полному раскислению ванны (табл. 4). Изучение макро - и микроструктуры показали отсутствие в наплавленном металле оксидов и пор*

Растворение легирующей шихты сопровождается окислительно-восстановительными реакциями.

Шихта состоит из крупки ферросплавов и графита.

Каждая крупинка ферросплавов покрыта оксидами. С их восстановления и начинается процесс:

Сг2Оа + ЗС->2 [Сг] + 3 {СО};

FeO + С - [Fe] + {СО};

МлО-f С-* [Мп] + {СО}.

О том, что в этот период идут реакции с выделением монооксида углерода свидетельствуют два факта. Во-первых, впереди ванны жидкого металла над слоем флюса и шихты вспыхивает голубое пламя, а ванна «кипит». Во-вторых, исследование макрошлифов за­кристаллизовавшейся ванны показывает в зоне раство­рения ванной шихты большое количество сотовых пор, расположенных вертикально. Характерно, что поры начинаются в зоне растворения шихты жидким метал­лом и направлены к зеркалу ванны. Осмотр на шлифах внутренних поверхностей закрытых пор показал отсут­ствие на них рксидов. Это доказывает наличие в 3£- крытыл порах монооксида углерода.

Выделение из ванны большого количества моноок­сида углерода способствует уменьшению контакта жидкого металла с кислородом воздуха, что снижает количество активных оксидов в шлаке, а следовательно, и окисление наплавленного металла.

Изучение металлургических процессов при много­электродной наплавке по шихте, вносимой в слой флюса, показало, что подслой, наносимый перед на­плавкой на поверхность для ее выравнивания, раство­ряет оксиды, которыми эта поверхность покрыта.

После расплавления слоя шихты начинается плав­ление подслоя флюса. По данным работы [32] флюс АН-348А плавится при температуре около 1200°С. Одновременно с плавлением флюса повышается темпе­ратура основного металла, а следовательно, и оксидов, находящихся на его поверхности. Расплавленный флюс растворяет нагретые оксиды с образованием сложных силикатов. Изучение темплетов, вырезанных из участ­ков ванны, позволило составить картину удаления флюсового подслоя в процессе наплавки, отдельные этапы которой представлены на рис. 12, а—в.

В первый момент после расплавления подслоя и растворения оксидов (рис. 12, а) идет процесс образо-

в)

Рис. 12. Схема удаления флюсового подслоя в процессе наплавки: I

а — образование шлаковой капли; б — капля перед отрывом; 0— момент отрыва капли

вания. шлаковой полусферы. Повышенная вязкость шлака из-за наличия в нем большого количества окси­дов железа, а также из-за силы поверхностного натя - I жения в результате смачивания им наплавляемой поверхности затрудняют процесс.

Повышение температуры до оплавления основного металла облегчает формирование шлаковой капли в сферу. Однако связь между жидким шлаком и метал­лом остается довольно прочной, доказательством чего служит тянущийся за шлаковой каплей жидкий металл (рис. 12,6). Отрыву шлаковой сферы способствуют конвективные потоки в наплавленном металле (рис. 12, в). I

Доказательством описанного выше действия шлако­вого подслоя служат два обстоятельства. Во-первых, при наплавке деталей с окисленной (покрытой ржав­чиной) поверхности под шлаковой полусферой (рис. 12, а) всегда наблюдалась раскисленная матово­белая поверхность. Во-вторых, химический анализ шлака полусферы показал содержание в нем до 4 % FeO, в то время как во флюсе содержание FeO дости­гало всего 0,7 %.

Вполне естественно, что движение шлаковой капли через жидкий наплавляемый металл должно сопровож­даться окислительными реакциями. Однако небольшое количество таких капель и короткий промежуток вре­мени их пребывания в ванне жидкого металла из-за малой глубины последней позволяют считать, что этот путь окисления при наплавке заметной роли играть не может.

Степень усвоения ванной вводимых с шихтой леги­рующих элементов определяется потерей их в виде оксидов, удаленных в шлак.

Количественной характеристикой усвоения ванной какого-либо элемента является коэффициент пере­хода

К « [М]д/[М]р,

где [М]д — действительная концентрация элемента в на­плавленном металле, %; [MJp—расчетная концентра­ция элемента в наплавленном металле, %.

Действительная концентрация определяется анали­тически, а расчетная — из условия, что вносимый в зону плавления элемент полностью переходит в наплавлен­ный металл. Величина коэффициентов перехода зависит от ряда факторов: наличия оксидов данного элемента в шлаке, относительной массы шлака, режима наплавки и т. д.

Количественная оценка влияния отдельных факторов получена путем определения коэффициентов перехода элементов в наплавленный металл при контрольных наплавках (табл. 5). С увеличением содержания хрома в сплаве коэффициент перехода углерода растет. Коэффициент перехода хрома несколько выше при уве­личенном содержании в сплаве марганца.

Относительная масса шлакг т, е. количество шла­ка в килограммах, приходящееся на один килогр&мм наплавленного металла, оказывает существенное влия-

ниє на ход металлургических процессов и на коэффи­циенты перехода. Так при наплавке сплава У40ХІ0Г8 (табл. 5) с увеличением потери легирующих элемен - тов растут. Из этого следует, что способы наплавки, осуществляемые с использованием минимального коли­чества шлака, например горизонтальный электрошла - ковый, более предпочтительны

В целом же (см. табл. 5) коэффициенты перехода всех легирующих элементов, несмотря на использова­ние кислого флюса, высокие. Объяснение этому следует искать в специфике легирования и применении много­электродной наплавки. Подача легирующих элементов в слой флюса обеспечивает растворение их непосредст­венно жидким металлом, минуя шлаковую ванну, наиболее опасную с точки зрения возможного окисле­ния. Многоэлектродная наплавка позволяет рассредото­чите суммарное тепловложение на значительной ширине, ликвидировать локальный перегрев в<шныт приблизив его к средней температуре ванны, и тем самым замедлить реакции окисления элементов. Наплавленный слой имеет высокую стабильность со­става не только по сечению, но и по длине. Это хорошо иллюстрируют результаты послойного химического анализа (табл, 6).

Таким образом, сочетание многоэлектродного спо­соба с легированием подачей шихты во флюс позволяет успешно наплавлять сложные износостойкие сплавы, использовать кислые флюсы и обеспечивать хорошее формирование поверлности наплавленного металла.

Флюсы для! наплавки

При наплавке под флюсом последний существенно влияет на характер протекания физико-химических процессов. Он определяет окончательный химический состав направленного металла, его качество и форми­рование. Правильно выбранный флюс позволяет полу - чать требуем'ые свойства наплавленного металла»

Технологические свойства флюса для электрошлако­вой наплавки определяются также характером изме­нения электропроводимости и вязкости шлак^ в зави­симости от температуры [32].

Для устойчивого прогекания электрошлакового про­цесса должна быть определенная электропроводимость шлака. При очень высокой электропроводимости шлака и малой глубине ванны, применяемой при много­электродной наплавке в нижнем положении, возбуж­дается дуга между шлаком и электродом, при низкой — электрошлаковый процесс может прекратиться От электропроводимости шлака в большей мере зависит также количество теплоты, выделяющейся в зоне ♦на­плавки, а значит и температура ванны [32]:

Марк* флюса. . . . ФЦ-7 АН-348А АН-8 АН-22 АНФ-14

Электропроводимость,

См ..................................... 1,5 3 4 4,5 5—€

Марка флюса. . * . АНФ-f АНФ-5 АНФ-6 АНФ-7 АНФ-8 Электропроводимость,

См...................................... 10.......... 12—15 4 10 3—4

Вязкость шлака должна находиться также в опре­деленных пределах. Уменьшение вязкости шлака при­водит к его интенсивному растеканию, увеличение вяз­кости ухудшает качество поверхности, особенно при ее принудительном формировании, В зависимости от вяз­кости шлака возможно нормальное формирование или образование подрезов из-за перегрева шлака, а также несплавлений из-за слишком холодного шлакг.

Флюсы существенно отличаются по температуре на­чала плавления и кипения. Чем ниже температура кипе­ния флюса, тем меньше устойчивость электрошлакового

процесса и больше возможность перехода его в дуго­вой. Поскольку большинство флюсов, применяемых для наппавки,— сложные по химическому составу и струк­туре сплавы, то они кипят не при конкретной темпера­туре, а в определенном диапазоне температур [32].

Для сгаоильности электрошл а нового процесса важ­на температура начала кипения фліоса, определяемая наиболее летучим его компонентом. Наиболее низкую температуру кипения имеют фториды кремния, титана, алюминия, натрия и калия. Наличие в наплавочной ванне этих соединений должно существенно уменьшать температуру начала кипения флюса и этим снижать устойчивость электрошлакового процесса [32].

Требования легкой отделимости шлака связаны не только с упрощением операции очистки поверхности, но и безопасносіью работы. Шлак, сильно прилипающий к поверхности металла, скалывается, и его кусочки разлетаются с такой силой, что могут травмировать глаза и кожу работающих. Известно, что отделимость шлаковой корки зависит от сцепляемости ее с металлом шва, определяемой составом металла слоя и флюса.

И. К* Походня с сотрудниками показали, что при возникновении между шлаком и металлом промежуточ­ного слоя с параметрами решетки а—Fe или магнетита происходит поверхностное срастание шлака с поверх­ностью шва. При наплаьке сплавов, легированных хро­мом, ванадием, титаном, поверхностный слой обра­зуется вследствие избирательного окисления указанных элементов расплавленным шлаком. Регулировать отде­ление шлаковой корки можно путем изменения окисли­тельного потенциала шлака при легировании наплав­ленного слоя этими элементами. Отделимость шлако­вой корки зависит также от качества формировании наплавленного слоя и физических характеристик флюса.

Наиболее широко применяемые для многоэлектрод­ной наплавки низкоуглеродистых сталей флюсы АН-348А, ОСЦ-45, ФЦ-7, АН-60. Для наплавки корро - зионно-стойких сплавов применяют бескислородные фторидные флюсы: АНФ-1, АНФ-5, АНФ-6, АНФ-7.

В этом случае почти исключается окисление титана, хрома, а также переход кремния из флюса в основной металл. Недостатком фторидных флюсов является пло­хое формирование наплавленного металла, а также

плохая отделимость дшіаковой корки, особенно в горя­чем состоянии.

При наплавке легированных сплавов под флюсом проволокой Се-08 пс слою легирующей шихты, дози­руемой на изделие, когда получение необходимого состава наплавленного металла осуществляется пепо - срсАственно на поверхности изделия, могут быть ис­пользованы флюсы АН 22 и АН-26. Эти флюсы окис­лительные с большим содержанием оксида кремния, что способствует выгоранию титана и хрома. Однако спе - цификг. леїирования, когда легко окисляемые элементы минуют стадию капли, уменьшает вредное влияьие оксида кремния. Коэффициенты усвоения этих элемен­тов достигают значений соответственно 80 и 84 %. Несколько хуже обстоит дело с возможностью появле­ния кристаллизационных трещин в результате перехода кремния из флюса в наплавленный слой. Вместе с тем указанные флюсы обеспечивают отличное формирова­ние наплавленного металла и исключают появление пор.

Эффективным средством борьбы с кристаллизацион­ными трещинами при использовании этих флюсов явля­ется применение 3—4 %-ной алюминиевой лигатуры, содержащей 20 % железного и 80 % алюминиеього по­рошка. Такой состав лигатуры обладает приблизительно одинаковой с флюсом плотностью. Наплавка хромо­никелевых сплавов на стальные изделия под флюсом АН-26 с применением такой лигатуры вполне предохра­няет наплавленный металл от кристаллизационных трещин [32].

По способу изготовления различают флюсы плав­лены е и неплавленые (смеси).

Плавленые флюсы бывают стекловидные и пемзо­видные. Стекловидный флюс представляет собой про­зрачные зерна, окрашенные в зависимости от состава флюса в различные цвета. Пемзовидный флюс пред­ставляет собой зерна пенистого (пористого) материала белого или светлых оттенков зеленого, желтого и дру гих цветов. Насыпная плотность стекловидного флюса, как правило, в 1,5 раза больше, чем у пемзовидного. Стекловидный флюс по сравнению с пемзовидным обеспечивает более совершенную защиту зоны наплавки от действия воздухе. Однако формирование наплавлен­ного металла при использовании пемзовидного флюса

лучше, особенно когда наплавляются широкие валики и требуется высокий коэффициент формы шва (отно­шение ширины к глубине проплавленил).

Учитывая импульсное плавление электродного металла при многоэлектродной наплавке, желательно использовать такие флюсы, электропроводимость кото­рых минимальная. В этом случае наиболее полно реа­лизуется самопроизвольный импульсный процесс, сокращается время импульса, повышается температура капель электродного металла, растет поляризация гра­ницы шлак—металл. Все это упрощает управление про­цессом и снижает расход электроэнергии ьа наплавку.