Наплавлення та наплавлювальні матеріали

НАПЛА́ВЛЕ­Н­НЯ ТА НАПЛА́ВЛЮВАЛЬНІ МАТЕРІА́ЛИ

Наплавлення (Н.) — нанесе­н­ня шару металу на поверх­ню металевої заготовки або виробу методами, що є спорідненими зі зварюва­н­ням. За допомогою Н. створюють вироби, що мають основу необхід. кон­струкц. міцності та наплавлений робочий шар з особливими властивостями (зносо­­стійкість, термо­стійкість, кислото­стійкість, короз. стійкість тощо). У фаховій літературі вживають також термін «наварюва­н­ня» для по­значе­н­ня технологій, що є спорідненими зі зварюва­н­ням тиском із пластич. деформацією. Термін «натопле­н­ня» є за­старілим, характерний для праць, ви­даних до 1940-х рр. Н. за­стосовують як для отрима­н­ня нових біметал. і багатошар. виробів із додатк. властивостями, так і для від­новле­н­ня зношених або по­шкоджених деталей (можливо й з покраще­н­ням їхніх характеристик). Ефективність Н. ви­значається продуктивністю (кг/год. або м/хв.); часткою осн. металу в наплавленому металі (%); товщиною наплавленого шару металу (від 0,3 до 40 мм). Осн. метою технологій Н. є мін. проплавле­н­ня, необхідне формува­н­ня поверх­ні. Від­повід­но до джерел енергії роз­різняють види Н.: термічні (електродуг., електрошлак., плазм., індукц., лазерне, світл., електрон­но-променеве, газове, пічне); термомех. (електроконтактне, прокатува­н­ням і екс­трудува­н­ням екс­трузією); мех. (вибухом, тертям). Одним з осн. зав­дань є роз­робле­н­ня наплавлю­вал. матеріалів (див. також Зва­рю­вальні матеріали), що забез­печують необхідні екс­плуатац. властивості, а також матеріалів технологічних у виготовлен­ні та за­стосуван­ні, економнолегованих тощо.

Н. дорогоцін­них металів для ювелірних виробів, прикрашува­н­ня зброї та обладунків за­стосовували здавна. Про наварюва­н­ня заліза в Стародав. Греції писав Геродот. Майстри Київ. Русі наварювали ковал. способом навуглецьовані пластинки кричного заліза на різал. кромки реманенту та зброї. На­прикінці 19 ст. почали за­стосовувати способи газового й електродуг. Н. Гол. пере­ваги газового Н.: мале проплавле­н­ня осн. металу, універсальність і гнучкість технології, можливість нанесе­н­ня шарів малої товщини; проте якість створеного цим способом виробу залежить від кваліфікації робітника. 1881 М. Бенардос запатентував Н. за допомогою вольт. дуги одного тіла на поверх­ню ін. тіла у всіх можливих комбінаціях. У дугу вводять стрижень, виготовлений із матеріалу тіла, що бажають наплавити, і на якому він роз­ріджується. У 1930-х рр. під час ремонтува­н­ня осей, валів, лопатей гідротурбін, від­новле­н­ня рейок і хрестовин та ін. сталевих деталей набуло пошире­н­ня ручне дугове Н. електродами спец. марок із легувал. покри­т­тям. Зносо­стій. шар деталей, що схильні до удар. навантаже­н­ня, напр., молотк. млинів, черпаків драг, наплавляють напів­автоматом порошк. дротом. Тоді ж за допомогою вібродуг. Н. з періодич. контактом електрода, що плавиться короткою дугою, почали ремонтувати сталеві та чавун­ні вироби. Від 1960-х рр. його удосконале­н­ням за­ймалися В. Карпенко та ін. фахівці Кр­аматор. індустр. ін­ституту (нині Донбас. маш.-буд. академія, Донец. обл.). Ця технологія до­зволяє наносити шар невеликої товщини (до 0,3 мм). Під час електроконтакт. Н. зʼєд­на­н­ня від­бувається в результаті спіл. пластич. деформації при на­гріван­ні імпульсами струму та натискан­ні дротами чи стрічками. Осн. пере­ваги цієї технології: від­сутність проплавле­н­ня, мін. деформації деталей, можливість Н. шарів малої товщини. У післявоєн­ні роки Н. стало важливою технологією для становле­н­ня промисловості та роз­витку НТП. Над створе­н­ням ефектив. наплавлювал. матеріалів активно працювали вчені вузів і спів­робітники завод. лабораторій. В Ін­ституті електрозварюва­н­ня АН УРСР (Київ) роз­роблено технологію автомат. дугового Н. зварювал. дротом під зварювал. флюсом бандажів вагон. коліс, гусенич. траків танків і багато ін. сталевих деталей, що зношуються тертям (А. Асніс, Л. Гутман). Деталі металург. обладна­н­ня (валків гарячої прокатки, штампів та ін. подіб. виробів) почали наплавляти під флюсом порошк. дротом (І. Фрумін, І. Походня). Освоєно Н. широкою електрод. стрічкою із нержавіючої сталі внутр. поверхонь хім. і енергет. реакторів (І. Фрумін, Ф. Хомусько). 1950 почали за­стосовувати керам. флюси з феромарганцем і феросиліцієм, що забезпечує при викори­стан­ні низьковуглец. дроту в наплавленому шарі сплав сормайт для Н. штампів, металорізал. інструментів, устаткува­н­ня під­приємств металург. промисловості (К. Хренов, Д. Кушнірьов, Ю. Юзвенко). На поч. 1960-х рр. у Київ. політех. ін­ституті виконано дослідж. з магніт. упр. зварювал. процесами та роз­роблено технологію дугового Н. стрічк. електродом під флюсом, що до­зволяє в широких межах керувати параметрами і якістю наплавленого металу (О. Корнієнко). Нові технол. можливості дугового Н. досягнуто завдяки викори­стан­ню матеріалів, що не потребують захисту та легува­н­ня флюсом. Важливого значе­н­ня набуло за­стосува­н­ня самозахис. порошк. стрічок для Н. засип. апаратів домен. печей (конуса та чаші). У 1950-х рр. на трубо­прокат. заводі ім. Леніна та металург. заводах ім. Г. Петровського (обидва — Дні­пропетровськ, нині Дні­про) й ім. Іл­ліча (м. Жданов, нині Маріуполь Донец. обл.) впроваджено спосіб Н. прокат. валків під керам. флюсами, а на Кр­аматор. заводі важкого вер­статобудува­н­ня налагоджено серійне виробництво вер­статів для Н. валків. Цим устаткува­н­ням оснастили понад 50 металург. заводів СРСР і багато заводів у ін. країнах. Були вирішені 2 зав­да­н­ня — від­новле­н­ня зношених валків і збільше­н­ня їхньої стійкості. Потребу в нових валках зменшили майже в 20 разів. Н. порошк. стрічками в магніт. полі до­зволило збільшити продуктивність та під­вищити зносо­­стійкість засип. при­строїв домен. печей. Найбільш широко використовують Н. під флюсом одним дротом (суціл. або порошковим) чи стрічкою (холоднокатаною, порошк., спеченою). При виготовлен­ні та зміцнен­ні деталей у металург., енергет., гірн.-добув., шляхобуд. та ін. галузях за­стосовують дугове Н. порошк. самозахис. дротами та стрічками з великою кількістю легувал. компонентів. Для штанг, валів, тяг та ін. деталей, що рухаються і зношуються в умовах дії корозійно-актив. середовища ядер. реакторів і двигунів, в Ін­ституті електрозварюва­н­ня АН УРСР роз­роблено ремонтні технології Н. хромистих сталей із високою твердістю. Зокрема, технологія і наплавлювал. матеріали, за­стосовані для виготовле­н­ня фрез бурових інструментів, забезпечили під­вище­н­ня стійкості в 6–7 разів. Для зменше­н­ня тертя рухомих деталей роз­роблено порошк. дроти та стрічки, що забезпечують Н. алюмінієвих та ін. типів бронз. Фахівці Ін­ститутів електрозварюва­н­ня й про­блем матеріало­знавства (Київ) АН УРСР роз­робили спосіб виробництва спечених порошк. стрічок для Н. під­ресор. опор вантаж. автомобілів, плунжерів гідравліч. пресів, прокат. валків, ножів бульдозерів тощо. Було роз­роблено кілька сотень складів електрод. і присад. суціл. та порошк. дротів і стрічок, велику номенклатуру плавлених і керам. флюсів, значну кількість порошків і гранул. Вироб-во наплавлювал. матеріалів вперше налагоджено на Жданів. трубо­прокат. заводі та Запоріз. заводі зварювал. флюсів і скловиробів. При плазм. Н. джерелом на­гріва­н­ня металу є електр. дуга, стиснута потоком газу. Найбільшого пошире­н­ня в промисловості набуло Н. з присадкою порошку, що забезпечує високу якість та малу глибину проплавле­н­ня з від­носно тонкими шарами (І. Рябцев, П. Гладкий, Є. Пере­плетчиков). В Ін­ституті електрозварюва­н­ня НАНУ роз­роблено технології плазмово-порошк. Н. енергет. та нафтохім. арматури, клапанів двигунів внутр. згоря­н­ня, ножів гарячого та холод. різа­н­ня металів, багатолез. різал. інструменту й ін. деталей, від­повід­ні присадк. порошки на основі заліза, нікелю, кобальту, міді, спеціаліз. та універсал. установки для Н. Найкращими можливостями упр. складом і якістю забезпечує спосіб плазм. Н. електродом, що плавиться, роз­роблений у Кр­аматор. індустр. ін­ституті та вперше за­стосований для Н. прес-форм для скла 1986 (В. Грановський, Н. Макаренко). В Ін­ституті електрозварюва­н­ня АН УРСР роз­роблено електрошлак. Н., що ґрунтується на виділен­ні тепла при проходжен­ні електр. струму крізь роз­плав шлаку, через який вводять легувал. елементи (І. Фрумін, І. Походня, Г. Ксендзик та ін.). Н. можна виконувати в горизонтал., вертикал. або нахиленому положе­н­нях пере­важно з примус. формува­н­ням наплавленого шару. Осн. пере­ваги електрошлак. Н.: стійкість процесу в широкому діапазоні щільності струму (від 0,2 до 300 А/мм²), що до­зволяє використовувати для Н. тонкий електрод. дріт (від 2 мм) і електроди великого пере­різу (понад 350 мм²); висока продуктивність при Н. за один прохід шарів великої товщини; можливість надавати наплавленому металу необхід. форми. Тому ці технології за­стосовують для виготовле­н­ня великої номенклатури виробів у багатьох галузях промисловості, зокрема ядер. реакторів із внутр. шаром радіаційно­стій. металів і сплавів, чавун. прокат. валків із зносо­стій. шаром. 1970–90 в Ін­ституті електрозварюва­н­ня АН УРСР роз­роблені способи електрошлак. Н. двома електрод. стрічками для великогабарит. виробів хім. й енергет. галузей промисловості. У Фіз.-технол. ін­ституті металів і сплавів АН УРСР (Київ) освоєно від­центр. лиття двошар. заготовок вальців. Індукц. Н. струмами високої частоти — високо­продуктив. процес з малою глибиною проплавле­н­ня осн. металу та можливістю одержа­н­ня тонких шарів. Однак, для Н. можна використовувати тільки ті матеріали, що мають температуру плавле­н­ня нижчу температури плавле­н­ня осн. металу. На Волз. автомобіл. заводі (м. Тольят­ті Самар. обл., РФ) та ін. під­приємствах під час виробництва випуск. клапанів за­стосовують роз­роблене в Ін­ституті електрозварюва­н­ня АН УРСР автомат. Н., що ґрунтується на індукц. роз­плавлен­ні литого присад. кільця з одночас. на­гріва­н­ням поверх­ні виробу з формува­н­ням валика дією електромагніт. сил (Д. Дудко, Б. Максимович).

При індукційному Н. роз­плавле­н­ня порошкової шихти, нанесеної на поверх­ню тонкостін. виробу, до­зволяє створити біметалеве лезо, що використовують для лемешів плугів, лап культиваторів та ін. деталей с.-г. машин. Лазерне (світл.) Н. здійснюють опалюва­н­ням порошку, дроту та паст або роз­плавле­н­ням напилених шарів. Необхід. властивостей виробу можна досягнути вже в першому шарі невеликої товщини (< 0,3 мм). Можливе наплавлення важкодоступ. поверхонь і підведення лазер. випромінювання до декількох робочих місць. При електронно-променевому Н. можна здійснювати розділ. регулювання нагрівання і плавлення осн. та присад. матеріалів при малому проплавленні й шарів малої товщини. Серед недоліків — складність обладнання та необхідність біол. захисту оператора. Пічне Н. композиц. сплавів ґрунтується на просочуванні шару твердих тугоплав. частинок (карбідів) сплавом-звʼязкою в умовах автовакуум. нагрівання в електр. або газових печах. Зносостій. складовою сплаву найчастіше є карбід вольфраму (реліт) або подрібнені відходи твердих сплавів типу WС–Со, звʼязкою слугує сплав міді, марганцю та нікелю. Перевагою технології є можливість Н. унікал. виробів склад. форми, зокрема й конусів домен. печей. Розроблення технології Н. корунду та тех. алмазів паянням у газових печах значно збільшило ресурс бурових доліт і заощадило до 30 % коштів від первин. вартості (В. Хорунов). Плакування за допомогою зварювання прокаткою і екструзії застосовують переважно для виробництва біметал. листів, смуг, фасон. профілів, прутків. Найважливіші переваги методу: висока продуктивність процесу; відсутність перемішування осн. та плакувал. металів і широкий діапазон співвідношення їх товщин; можливість отримання спец. профілів із місц. плакуванням; відносно невеликі залишк. деформації. Плакування енергією вибуху застосовують тоді, коли Н. ін. способами виконати складно чи неможливо, причому, не відбувається проплавлення основного металу. Так можна виробляти конструкц. й інструм. сталі, сталеві листи з покриттям ванадію, титану, алюмінію (В. Кудінов та ін.). Н. тертям полягає в швидкому обертанні присад. прутка (1500–4000 обертів на 1 хв.), який торцем притискають до поверхні виробу та нагрівають, унаслідок чого стає пластичним і немовби намазується на поверхню. Великий обсяг експерим. дослідж. дозволив створити основи теор. розрахунків складів і металург. процесів. У 1990-х рр. розроблено компʼютерні системи проектування та вибору матеріалів і технологій Н. з урахуванням умов експлуатації, якими можуть оснащуватися автомат. наплавлювал. установки. В Інституті електрозварювання НАНУ спільно з фахівцями Інституту механіки НАНУ (Київ) розроблено матем. моделі та методи розрахунку напружено-деформованого й мікроструктур. стану деталей у процесі Н. та подальшому функціонуванні при зношуванні й цикліч. мех. або термомех. навантаженнях, що дозволяють прогнозувати ресурс експлуатації деталей (І. Рябцев, І. Сенченков, Е. Турик).

Фотоілюстрації

×

❮ ❯

Завантажити статтю