Многоэлектродная наплавка

Образование зоны сплавления

При наплавке, когда наряду с электродами, пода­ваемыми в ванну, расплавляются кромки основного металла, часть основного металла, примыкающая непо­средственно к наплавленному металлу, нагревается до температуры, несколько превышающей температуру плавления, и находится в жидком состоянии. На этом

участке, собственно, и происходит образование не­разъемного соединения между основным и наплавлен­ным металлом. Участок имеет незначительную протя­женность и распространяется на частично оплавленные зерна основного металла. По своему составу и струк­туре он отличается от соседних участков. Объясняется это двумя причинами.

Во-первых, вблизи границы сплавления образуется слой жидкости с замедленным движением перемешива­ния. Поэтому в некоторой зоне, обычно в пределах 5 % глубины ванны, вследствие недостаточного перемеши­вания состав металла оказывается не таким, как в средних частях ванны [22]. Чем больше различие составов основного и наплавленного металлов, тем более неравномерным будет состав металла покрытия в переходной зоне вблизи границы сплавления. Извест­но также [22], что на этом же участке покрытия в ре­зультате прерьівистосіи процесса кристаллизации имеет место весьма неравномерное распределение ликвирую - щих примесей с их накоплением в слоях, расположен­ных на одинаковом расстоянии в ту и другую стороны по отношению к границе сплавления.

Во-вторых, наличие градиента температуры вызы­вает интенсивную гетерогенную диффузию элементов, входящих в состав наплавленного металла. Гетероген­ная диффузия развивается на границе между твердым и жидким металлом непосредственно в процессе на­плавки; или в период последующей термообработки, или при эксплуатации детали. Направление диффузии того или иного элемента определяется содержанием его в основном металле и наплавочной ванне и коэффи­циентом распределения элементов в твердой и жидкой фазах.

На образование и конфигурацию зоны сплавления большое влияние оказывает источник теплоты. Идеаль­ным при наплавке представляется такой источник, кото­рый обеспечивал бы минимальное и равномерное рас­плавление основного металла. Возможно это могла быть пайка наплавленного слоя к поверхности изделия. Однако в настоящее время пределы регулирования формы и величины проплавления основного металла путем распределения количества теплоты ограничены. Наиболее распространенные источники — электрошла - ковая ванна или электрическая дуга обладают в этом

отношении сравнительно небольшими возможностями.

Применение многоэлектродной технологии позволяет значительно расширить границы управления конфигу­рацией зоны проплавленая путем соответствующей рас­становки и импульсного плавления электродов.

Во время импульсного плавления электрода под действием броска то^а из-за неоднородности электри­ческого поля на свободной поверхности металлической ванны образуется лунка, увеличиваются глубина погру­жения электрода, скорость его плавления и, как резуль­тат, количество теплоты в основной металл. В период паузы между импульсами происходит выравнивание количества теплоты в объеме ванны.

При наплавке на углеродистую сталь металла, обес­печивающего необходимые рабочие характеристики изделия, например коррозионно-стойкой стали, прихо­дится учитывать переход в нее железа из углеродистой стали, что значительно снижает рабочие характери­стики поверхностного слоя.

Одновременно зона перехода обогащается легирую­щими элементами из металла покрытия, которые могут образовать с основным металлом сплавы и химические соединения, снижающие прочность переходной зоны. Вот почему максимальное снижение доли основного металла в наплавленном и наоборот является главной задачей наплавки. Например, при наплавке аустенит - ного слоя на углеродистую сталь в месте перехода от аустенитного металла к углеродистой стали образуется зона переменного состава. В ней возможно получение некоторых объемов металла с неблагоприятными свойствами, лимитирующими работоспособность на­плавленного слоя. Это зоны опасных концентраций легирующих элементов, могущие обладать повышенной хрупкостью, малым коэффициентом линейного расши­рения и тому подобными свойствами. Чем меньше ширина этих зон, тем труднее проявляются эти свой­ства, а следовательно, выше работоспособность наплав­ленных изделий.

Увеличение степени легирования наплавленного слоя уменьшает ширину зоны опасных концентраций легирующих элементов и тем самым повышает работо­способность наплавленных деталей [22]. При нанесении высоколегированных сплавов на углеродистую сталь совсем не безразлично, каким способом наплавки и

легирования мы будем пользоваться. Наьример, при дуговой наплавке под флюсом одним электродом леги­рованных сплавов на железной или никелевой основе в первом слое доля основного металла обычно состав­ляет 50—60 %. В этом случае ширина зоны, лимити­рующей работоспособность наплавленного слоя, будет максимальной.

Замена одной проволоки несколькими или электрод­ной лентой размером, соответствующим нескольким проволокам, приведет к изменению характера их плав ления, и доля основного металла в наплавленном слое снизится до 10—15%. Тогда желаемый состав может быть получен примерно во втором слое наплавки, но и при этом ширина зоны опасных концентраций легирую­щих элементов останется недопустимо большой. Устра­нить этот недостаток можно путем внесения легирую­щих элементов в наплавленный слой подачей шихты на поверхность изделия или в слой флюса (способы леги­рования IV и V)y когда сплав заданного состава фор­мируется из шихты, обычной проволоки Св-08 и про­плавленной части основного металла.

В этом случае проплавление основного металла компенсируется дополнительным количеством легирую­щих элементов в шихте, а поступление легирующих элементов в зону сплавления облегчается за счет того, что шихта находится на поверхности изделия и по­падает в ванну не через расплавленный шлак, а раство­ряется движущейся впереди электродов волной перегре­того жидкого металла. В таких условиях ширина зоны опасных концентраций легирующих элементов умень­шается, сплав необходимого состава занимает 9Ь—98 % объема наплавленного слоя и получается уже в первом слое при благоприятных составе и структуре зоны сплавления, становится возможным расширение числа сплавов, которые можно нанести наплавкой.

Ряд необходимых эксплуатационных свойств на­плавленных металлов, например сопротивление абра­зивному изнашиванию, определенным образом связан с повышением твердости металла, поэтому многие на­плавочные сплавы малопластичны и могут образовы­вать в наплавленных слоях трещины.

Наплавлять такие сплавы многослойно порой просто невозможно, поскольку тепловое воздействие после­дующих слоев на первый слой вызывает появление
р зоне сплавления хрупких структур, и наплавленный слой отслаивается. Такие сплавы могут быть наплав­лены многоэлектродным способом по слою легирующей шихты за один проход. Например, при многослойной наплавке на высокомарганцовистую сталь 110Г13Л высоколегированного чугуна У55Х12Г10С последний легко отслаивается от стали почти бе? приложения нагрузки. Этот же чугун, нанесенный в один слон, хорошо удерживается на поверхности марганцовистой стали при высоких скалывающих нагрузках.