Многоэлектродная наплавка

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ МНОГОЭЛЕКТРОДНОЙ НАПЛАВКИ

•жирование наплавленного металла

[ Необходимые свойства металла могуі быть полу» м#ніj путем его легирования. Для стали — это введение I ее состав, кроме постоянных примесей (углерода, марганца, кремния), легирующих — хрома, никеля, ш*гьфрама, ванадия, молибдена и др, или увеличение содержания углерода, кремния, марганца.

Прицесс наплавки часто ставит своей целью нанесе­ні» на поверхность изделия слоя, обладающего иными тонствами, чем материал изделия.

В случае наплавки высоколегированных износостой­ких сплавов, отличительной особенностью является минимальное участие основного металла изделия при формировании наплавленного слоя. Это предъявляет (и ибые требования к системе легирования.

Многочисленные варианты легирования металла применительно к многоэлектродной автоматической на­плавке под флюсом сводятся к пяти принципиально миличным способам, описанным в работах [31 и др.]: / легированная электродная проволока и обычный <|і нос необходимой марки; II — присадка легирующих

материалов через проволоку или вместе с проволокой и обычный флюс; сюда относятся наплавка порошко­вой, составной или свитой проволокой и др.; III—обыч­ная низколегированная проволока и легируюший флюс: механическая смесь ферросплавов, керамический флюс и т. п.; IV — обычнья проволока и легирующие при- месм, нанесенные на поверхность, подлежащую на­плавке; к этому способу должны быть отнесены: укладка на поверхность легированных присадочных прутков, насыпка порошка, стружки, намазывание паст и др. с полным их расплавлением низкоуглеродистой низколегированной проволокой; V — обычная проволока и легирующие примеси, вносимые в слой флюса, на­сыпаемого на поверхность, готовую к наплавке. К этому способу могут быть отнесены: насыпка порошка, уклад­ка в слой флюса присадочных прутков, брикетов из паст и т. п. с полным расплавлением не только их, но и расположенною под ними флюса.

На рис. II заштрихованы области режимов, в пре­делах которых химический состав наплавленного металла остается практически постоянным. Ни один из этих способов не может осуществляться в чистом виде, так как в любом случае имеет место взаимодействие металла с флюсом. Поэтому при легировании через про­волоку известную роль играет флюс и, наоборот, при

Рис. 11. Схемы способов легирования:

/ — легированная проволока и обычный флюс; II — порошковая проволока, обычный флюс; III — низколегированная проволока, керамический флюс; IV — обычная проволока, обычный флюс* легирование за счет шихты, на­сыпанной на поверхность изделия; V — обычная проволока и флюс, леги­рование за счет шихты, вносимой в слой флюса

легировании через флюс часть присадочного материала вносит проволока.

При многоэлектродной наплавке практически могут быть использованы все пять способов. Их применение зависит от размеров и конфигурации детали, а также требований'!, предъявляемых к наплавленному металлу. Чем меньше процентное содержание примеси, тем выше должна быть точность легирования.

По мере уменьшения точности легирования способы располагаются в таком порядке: V—/—II—III—IV; по степени сложности легирования: I—V—IV—III—II; наконец, по стоимости сварочных материалов: V—IV—11—111—I.

Выбору необходимого способа легирования должен предшествовать тщательный анализ всех факторов, и только после этого может быть принято решение о целесообразности его применения. В одних случаях такой анализ проделать легко, а в других — довольно сложно. Например, при наплавке деталей, работающих в различных условиях абразивного изнашивания, когда общий объем наплавки велик, а чис^о деталей каждого наименования мало, предпочтение следует отдать IV и V способам. С их помощью из составов порошков., имеющихся на предприятии, можно весьма оперативно получить практически любую шихту, а в случае надоб­ности провести ее необходимую корректировку. Ни од­ним другим способом сделать этого нельзя.

В случае наплавки массовых деталей, где требуется высокое и постоянное качество наплавленного слоя, целесообразно использовать способ /, праьда, при этом наплавленный материал будет очень дорогим. Для уменьшении стоимости наплавленного материала эко­номически выгоднее применять способы IV и V, в каче­стве же исходных материалов к этим способам целесо­образно использовать порошки чистых металлов.

Способы IV и V всегда вызывают сомнение с точки зрения точности и качества легирования. Однако при многоэлектродной наплавке на плоские детали и цилин­дрические диаметром свыше 500 мм эти способы имеют определенные преимущества. Больше того, при боль­ших размерах шлаковой и металлической ванн только эти способы в состоянии обеспечить низкую стоимость, высокое качество металла и необходимую точность легирования.

В чем же эти преимущества? Так как легирующие элементы взаимодействуют со шлаком не на стадии капли, а на стадии ванны, это резко уменьшает поверх­ность реагирования и снижает их окисление. Легирую­щие элементы растворяются в наплавленном слое при относительно низкой температуре и имеют минимальный контакт при высокой температуре с газовой фазой, что также уменьшает их окисление. Наконец, растворяясь в ванне жидкого металла, они охлаждают ее, способст­вуя измельчению зерна.

Наряду с этим V способ имеет еще одно гсреимуще - ство, заключающееся в том, что во время наплавки на границе с холодным основным металлом находится относительно пегкоплавкая, слабо теплопроводная, спо­собная хорошо растворять оксиды прослойка флюса. Это позволяет обеспечить надежное сплавлемие при минимальных затратах энергии.

Данные преимущества объясняются спецификой введения легирующих примесей не сверху через шлак, а снизу непосредственно в ванну жидкого металла. Их растворение осуществляется волной жидкого ме­талла, движущейся спереди электродов. Перегретые капли плавящихся электродов повышают температуру ванны жидкого металла. Передняя часть этой ванны, постоянно соприкасаясь с легирующей крупкой, раство­ряет ее. При этом обеспечивается минимальное взаимо­действие наплавляемого металла со шлаком, газом.

С помощью способов IV и V можно получить на­плавленный металл необходимых состава и структуры на всю толщину первого слоя, а не третьего, как это имеет место при легировании по способам I—III. Для этого необходимо при расчете легирующей шихты учесть долю участия основного металла. Такая особенность наиболее ценна при наплавке твердых и хрупких спла­вов на плохо свариваемую основу, например, на мар­ганцовистую сталь.

Расчет состава легирующей шихты, необходимого для получения требуемого сплава при многоэлектродной наплавке по способам IV и V, проводят по известным формулам и методике, описанной в литературе [29^ 31 и др.], в следующем порядке.

Масса 1 м наплавленного металла, кг:

G = Slyc„.

где S — площадь поперечного сечения наплавки, м2; I — длина наплавки, м; усп — плотность сплава, кг/м3.

К сожалению, в литературе имеются весьма противо­речивые сведения о плотности высоколегированных, богатых углеродом сплавов на основе железа. Одна из причин этого — отсутствие формулы для аналитиче­ского расчета плотности подобных сплавов, которая позволяла бы получать результаты, согласующиеся с данными практических измерений, и тем самым конт­ролировать последние.

Расчет плотности таких сплавов, выполненный в ра­боте [25], основан на правиле сложения, которое не вы­полняется в сплавах, где компоненты образуют хими­ческие соединения, поэтому значения плотности указан­ных выше сплавов, определенные с ее помощью, имеют отклонение от действительных на 12—15%.

С целью уменьшения расхождения действительных и расчетных значений плотности предложена формула, которая учитывает особенности образования высоко­легированных с большим содержанием углерода спла­вов на основе железа, когда практически весь углерод реагирует с железом, образуя карбид, а легирующие элементы растворяются в нем, вытесняя атомы железа.

При составлении формулы сделано допущение, за­ключающееся в том, что легирующие элементы, раство­ряясь в карбиде железа, не изменяют растворимости углерода в нем. Основанием этому служат диаграммы состояния сложных систем Fe—Сг—С, Fe—Сг—Мп—С и др., где видно, что растворимость углерода в таких сплавах растет незначительно, и этим изменением мож - но пренебречь,

Вид предложенной формулы следующий:

Vcn = 5>ав/1°0 + (ТрЄіс Ь/6>67 + YpeO —*/6,67)) Й/100,

П

где уэ—плотность отдельных элементов, входящих в сплав, кроме железа и углерода, кг/м3; — содержа­ние каждого элемента в сплаве, %; плотность

карбида железа, кг/м3; yFe—плотность железа, кг/м3; 6,67;—содержание углерода в карбиде железа, %; Ь — содержание углерода в сплаве, %; а — суммарное содержание углерода и железа в сплаве, %.

В таком виде ясен физический смысл формулы,

однако она неудобна для расчетов. Проведя простейшие алгебраические преобразования и подставив значения постоянных величин уре=7,85‘10~3 кг/м2-, ?ре. с =

=7,67- 10~э кг/м3, получим следующее выражение, удоб­ное для расчетов:

Yen — 2 Ye0»/100 + (о/100) (7,85 + 0,027 b), кг/м3.

Л

Данная формула верна только для расчетов плотности сплавов на основе железа. Плотности таких сплавов, подсчитанные по данной формуле и определенные по общепринятой методике взвешиванием в воде и на воз­духе, показали хорошую сходимость. Погрешность не превышала 1,5—2%-

Массу легирующих компонентов (ферросплавов) на I м нап тгавки можно подсчитать по формуле

где аи — содержание рассчитываемого элемента в на­плавляемом сплаве, %; ак — содержание рассчитывае­мого элемента в компоненте, %; кэ—коэффициент усвоения рассчитываемого элемента. При многоэлек­тродной электрошлаковой наплавке под флюсом АН-348А и легировании по способам IV и V экспери­ментально полученные коэффициенты усвоения элемен­тов составляют для хрома 0,9—095; марганца 0,8—0,9; никеля 0,9—0,95; углерода из электродного боя 0,45— 0,85; железа из проволоки 0,95—0,97.

В рассчитываемых компонентах (ферросплавах) содержатся попутные примеси (железо, углерод, крем-

Таблица 3. Результаты расчета состава шихты,

ний, сера, фосфор и др.). которые учитывают отдельно по формуле

0| = (/ffOjlOO.

Массу вводимого в шихту углерода в виде нефтя­ного кокса или электродного боя рассчитывают как разность масс — необходимой и попутно вносимой:

Я С ~

Для железа из основного металла принято G^e—12 % G. Массу железа из проволоки также рассчитывают как разность масс — необходимой и попутно вносимой. Высота щели прибора дозатора, м:

Лщ =

где D3 — доза шихты, суммарная масса найденных ком­понентов на I м наплавки, кг; В — ширина дозирова­ния, м; /= 1 м; уи — насыпная плотность шихты, кг/м3.

Насыпную плотность — массу единицы объема сво­бодно насыпанного порошка определяют волюметром (как в порошковой металлургии).

Скорость наплавки vw определяют по формуле

где vs — скорость подачи электродных проволок, м/ч; лэ—принятое число электродных приволок, шт.; <7э—масса 1 м проволоки, кг; — необходимое

количество железа из проволоки, кг.

Рассчитанные по данной методике составы шихты приведены в табл. 3. Для расчета принят феррохром в порошке и ферромарганец по ГОСТ 4755—80.

Наплавку осуществляли горизонтальным электро - шлаковым способом семью проволоками Св-08 диамет­ром 3 мм.