При длительной эксплуатации машин изнашивание деталей сопровождается снижением эксплуатационных показателей, что в частности вызывает ухудшение качества изготовляемых изделий. Изнашивание рабочих поверхностей деталей нередко требует их полной замены. Это повышает себестоимость производства из-за больших амортизационных отчислений.
В ряде случаев изготовление деталей целиком из износостойкой легированной стали нерационально в связи с трудностью обработки и высокой стоимостью стали. Поэтому для решения задач повышения эксплуатационных показателей и увеличения срока службы деталей машин используют различные способы поверхностного упрочнения, в частности наплавку, нашедшую широкое применение в производстве разнообразных изделий - от крупногабаритных, таких как сосуды высокого давления атомных реакторов, установки для десульфурации мазута (для повышения коррозионной стойкости), валки прокатных станов в металлургии (для упрочнения), до мелких деталей типа выхлопных гнезд и клапанов двигателей внутреннего сгорания (с целью повышения жаропрочности и износостойкости). В этом разделе также рассмотрены примеры применения технологии наплавки при производстве строительных машин, землесосных снарядов, металлургического оборудования, железнодорожного подвижного состава и сосудов высокого давления.
В промышленности применяют разнообразные способы сварки: ручную (газовую, дуговую покрытыми электродами), полуавтоматическую (дуговую в среде защитного газа или без защитной среды) и автоматическую (дуговую под флюсом). Для наплавки выбирают экономически целесообразный способ сварки, при котором на поверхность основного металла наносят равномерный слой сплава, обладающий высокой износостойкостью, коррозионной стойкостью или жаропрочностью.
Появление технологии наплавки относится к 1896 г., когда Спенсер получил патент на изобретение. Однако промышленное применение началось несколько позже. В частности, в 1922 г. братья Студи впервые осуществили в США наплавку коронок нефтяного бура способом газовой сварки с использованием присадочного материала в виде стальной трубки, заполненной хромовым сплавом.
Примерно в это же время была осуществлена наплавка клапанов двигателей внутреннего сгорания с помощью изобретенного Хейнзом сплава - стеллита (кобальтохромовольфрамового сплава). Первое время для наплавки использовали газовую сварку, но впоследствии по мере развития технологии сварки стали использовать и другие способы.
Начало автоматической наплавки относится к 1939 г., когда советские специалисты Михайлов и Ларионов осуществили наплавку с помощью покрытых электродов прямоугольного сечения. В Японии исследования в области технологии наплавки были начаты в 1955 г. В настоящее время ее широко используют для нанесения коррозионно-стойкого покрытия на сосуды высокого давления атомных реакторов, для упрочнения валков прокатных станов и других крупногабаритных изделий.
Наплавка сыграла большую роль в деле увеличения производительности труда, повышения качества продукции и экономии сырья при производстве промышленного оборудования, его эксплуатации и ремонте. В дальнейшем предстоит освоение новых разработок по созданию сварочных материалов, обладающих более высокими технологическими и эксплуатационными характеристиками, а также более производительного оборудования.
По сравнению с другими способами поверхностной обработки металла технология наплавки обладает рядом преимуществ и недостатков.
Преимущества технологии наплавки.
1. Возможность нанесения металлического покрытия большой толщины. Это позволяет изготовлять сосуды высокого давления из обычной стали с последующей наплавкой коррозионно-стойкой стали на внутреннюю поверхность, что более экономично по сравнению с применявшейся ранее технологией изготовления сосудов из плакированной стали, получаемой прокаткой. Наплавка приносит также большой эффект при восстановлении деталей с большой величиной износа.
2. Высокая производительность. При наплавке валков прокатных станов или сосудов высокого давления с помощью ленточных электродов производительность процесса достигает 15-25 кг/ч.
3. Относительная простота конструкции и транспортабельность оборудования, приспособленного для выполнения работ вне помещений. Например, наплавка покрытыми электродами или полуавтоматическая позволяет ремонтировать изношенные детали землеройных и других строительных машин в полевых условиях.
4. Отсутствие ограничений по размерам наплавляемых поверхностей изделий. Наплавку можно применять для таких крупногабаритных объектов, как сосуды высокого давления атомных реакторов и конусы засыпных аппаратов доменных печей, тогда как другие способы поверхностной обработки (горячее или электролитическое металлопокрытие, цементация и т. д.) имеют существенные ограничения по размерам обрабатываемых изделий. Например, толстостенные сосуды высокого давления можно изготовлять из технологического стального листа с последующей износостойкой наплавкой внутренней поверхности, что значительно проще, чем изготовление таких сосудов из плакированного стального листа, не обладающего достаточной технологичностью.
5. Простота выполнения, не требующая высокой квалификации сварщика. Достаточно высокая квалификация сварщика необходима только при ручной наплавке покрытыми электродами, тогда как при механизированной наплавке (например, при наплавке под флюсом) процесс значительно упрощается. Сварщик, хорошо овладевший сваркой, например, при строительстве зданий и мостов, производстве химического оборудования и других отраслях, может достаточно квалифицированно выполнять наплавку.
6. Возможность нанесения износостойкого покрытия на основной металл любого состава. При упрочнении закалкой, азотированием и другими аналогичными способами высокий эффект поверхностного упрочнения достигается лишь для металла определенного состава, тогда как при наплавке состав и свойства основного металла не имеют большого значения. В случаях, когда основной металл имеет низкую свариваемость, предварительно наносят подслой низкоуглеродистой стали, а затем наплавляют слой твердого металла. Отсутствие ограничений по составу (типу) стали для наплавляемых изделий позволяет снизить себестоимость производства и упростить технологию изготовления изделий.
7. Возможность повышения эффективности наплавки путем ее сочетания с другими способами поверхностной обработки. После наплавки изделие иногда подвергают пламенной закалке или азотированию. Например, для облегчения, обработки резанием валы, ролики, валки и другие изделия можно наплавлять материалом с твердостью HV<400 и после механической обработки упрочнять пламенной закалкой.
Недостатки технологии наплавки.
1. Ухудшение свойств наплавленного слоя из-за перехода в него элементов основного металла. При ручной наплавке покрытыми электродами или автоматической наплавке под флюсом деталей из низкоуглеродистой или низколегированной стали монель-металлом вследствие интенсивного разбавления первого слоя наплавленного металла основным металлом и значительного увеличения содержания в составе наплавленного слоя железа коррозионная стойкость его заметно снижается.
2. Деформация изделия, вызываемая высокой погонной энергией наплавки. Неправильный выбор режима наплавки может привести к чрезмерной деформации изделия после наплавки и браку. Для сохранения точности формы и размеров наплавляемого изделия приходится принимать особые меры: наплавку изделия вести в зажатом состоянии, исключающем его деформацию; создавать предварительную деформацию изделия с таким расчетом, чтобы деформация, вызываемая наплавкой, направленная в противоположную сторону, обеспечивала возврат к исходной правильной форме изделия; осуществлять последующую механическую обработку до окончательных размеров.
3. Некоторая неравномерность свойств наплавленных изделий, обусловленная тем, что наплавленный слой, в отличие от плакированного, имеет характерные свойства и особый состав, присущие металлу сварных швов. В этой связи исключается возможность использования при наплавке неквалифицированного сварщика, так как он не сможет обеспечить получения изделий стабильного качества. В этом случае обязательно обучение сварщиков. Следует учитывать также, что и опытный сварщик может допускать ошибки из-за недостаточной теоретической подготовки.
В частности, следует знать, что при наплавке аустенитной коррозионно-стойкой стали для предотвращения образования горячих трещин необходимо применение такой стали, в структуре которой содержится несколько процентов феррита, что не позволяет получить в наплавленном слое полностью аустенитную структуру, какая бывает обычно в плакированном слое.
4. Более ограниченный, чем, например при напылении, выбор сочетаний основного и наплавленного металла. Наплавка допускает разнообразные сочетания основного и наплавочного материалов, однако в отличие от напыления имеются определенные ограничения. Например, при изготовлении стальных сосудов с титановым покрытием используют напыление или плакирование прокаткой либо взрывом. Титан обладает удовлетворительной свариваемостью, однако при наплавке стали титаном на границе основного металла и наплавленного слоя образуется хрупкая прослойка интерметаллических соединений, что практически исключает возможность применения методов наплавки титаном.
5. Трудность наплавки мелких изделий сложной формы. Наплавка сопровождается оплавлением поверхностного слоя основного металла и протекает в условиях непрерывного перемещения сварочной ванны, состоящей из смеси основного и наплавляемого металлов. При наплавке мелких изделий условия для нормального формирования такой ванны ухудшаются. При сложной форме изделий также затруднено ее плавное перемещение, что исключает образование ровного качественного наплавленного слоя.
Изложенные выше преимущества и недостатки процесса наплавки следует учитывать при выборе оптимального способа ее осуществления, требуемого сварочного оборудования и материалов.