CC BY
20
С.А. Донских, В.Н. Сёмин
ТЕХНОЛОГИЯ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ГАЗОПОРОШКОВОЙ НАПЛАВКИ И МЕТОДИКА ЕЁ ПРЕПОДАВАНИЯ
Аннотация. Газопорошковая наплавка - это одна из наиболее простых и, одновременно, эффективных технологий, заключающаяся во введении наплавляемого материала в виде порошкового сплава непосредственно в зону наплавки. Наносимый таким способом слой обладает необходимой твёрдостью и одновременно сохраняет химический состав использованного материала.
Ключевые слова: электродуговая газопорошковая наплавка, газопорошковая струя, порошковая металлургия.
S.A. Donskikh, V.N. Semin
TECHNOLOGY OF ELECTRIC ARC GAS-POWDER SURFACING AND THE METHODOLOGY OF ITS TEACHING
Abstract. Gas-powder surfacing is one of the simplest and, at the same time, effective technologies, which consists in introducing the surfaced material in the form of a powder alloy directly into the surfacing zone. The layer applied in this way has the necessary hardness and at the same time preserves the chemical composition of the material used.
Keywords: electric arc gas-powder surfacing, gas-powder jet, powder metallurgy.
Важной проблемой, общей для многих областей техники, является проблема повышения надёжности выпускаемых машин, механизмов и приборов. Надёжностью называется способность механизма сохранять с течением времени в определённых границах значения всех параметров, обеспечивающих способность механизма выполнять необходимые действия в заданных режимах и условиях эксплуатации, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортировки. Свойство это сложное, и, в зависимости от назначения механизма и условий его эксплуатации, состоит из сочетания безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости.
Одна из основных причин выхода машин из строя, уменьшения их долговечности -изнашивание. Сократить или устранить износ можно путём применения в качестве конструкционных материалов легированных сталей и цветных металлов. Однако это экономически нецелесообразно. Поэтому широко используется другой путь - на поверхность деталей машин из конструкционных сталей наносятся защитные покрытия.
Среди многочисленных методов получения защитных слоёв различного функционального назначения особое место занимают способы, при которых покрытия образуются в процессе кристаллизации ванны жидкого металла, формируемой на упрочняемой поверхности, а необходимые физико-механические свойства обеспечиваются за счёт легирующих присадочных материалов, вводимых в расплав. Наиболее широко эти материалы используются в виде порошков. Большую работу в данном направлении проделали специалисты в области металлургии, сварки, наплавки.
Известны десятки типов порошков из сплавов для наплавки, смесей порошков для наплавки, порошковых проволок и лент, порошковых электродов и электродных покрытий с металлическими
порошками. Однако, теоретические разработки и промышленная практика подтверждают возможность дальнейшего повышения эффективности технологических процессов нанесения покрытий за счёт активирующих факторов: температурных, силовых и химических.
Газопорошковая наплавка - это одна из наиболее простых и, одновременно, эффективных технологий, заключающаяся во введении наплавляемого материала в виде порошкового сплава непосредственно в зону наплавки. Этим способом можно наплавлять слой высотой до 2 мм. Наносимый таким способом слой обладает необходимой твёрдостью и одновременно сохраняет химический состав использованного материала. Газопорошковая наплавка позволяет повысить износостойкость восстанавливаемых и упрочняемых поверхностей в 3 ... 5 раз, а также восстановить исходные размеры деталей. Газопорошковая наплавка хорошо показала себя при исправлении дефектов чугунного литья.
В газопорошковой наплавке используются самофлюсующиеся порошковые материалы на хром- бор- никелевой основе с добавками кремния. Частицы порошка должны иметь форму шариков диаметром 40 ... 100 мкм. Для наплавки на чугун используются НПЧ- порошки с содержанием меди 5 ... 7%.
По производительности газопорошковая наплавка стоит в одном ряду с наплавкой прутком, но её преимущество состоит в том, что она даёт возможность производить наплавку в труднодоступных местах вне зависимости от пространственного расположения детали.
В работе использованы разработки кандидата технических наук Н.Н. Петюшева (начальник отдела технологии продукции из корнеклубнеплодов и новой техники Научно-практического центра Национальной академии наук Беларуси по продовольствию). Авторы выражают Н.Н. Петюшеву глубокую благодарность за предоставленные материалы.
Методические основы преподавания технологии газопорошковой наплавки
Одной из главных задач школьного образования является подготовка личностей, способных действовать самостоятельно и активно, не бояться принятия решений, гибко реагировать на изменяющиеся условия современного общества. Для полноценного осуществления данной задачи необходимо проводить технологическую подготовку учащихся. Методически отвечающее данной задаче изучение предмета «Технология» является обязательным условием получения школьниками качественного образования.
Трансформация общества, быстрое развитие науки, внедрение новых технологий, предъявляют новые запросы к технологической подготовке учащихся школы. Школьникам необходимо овладеть основами знаний, умений и навыков не только по приёмам обработки различных материалов и материаловедению, но и по организации творческой проектно-конструкторской деятельности, умному дому, электротехническим работам. Осуществлению технологической подготовки школьников служит образовательная дисциплина «Технология», в соответствие с целями и задачами которой необходимо создавать соответствующую методику преподавания.
Методика - это отрасль педагогической науки, изучающая и разрабатывающая цели и задачи учебного курса, его содержание, принципы осуществления, формы и методы проведения учебно-воспитательной работы с учащимися. Проблема выбора методики преподавания дисциплины «Технология» существовала в трудовом обучении учащихся школы достаточно давно, в ходе её решения методика постоянно совершенствовалась, но в современных условиях появилась необходимость не просто совершенствования существующих методик, а в разработке новой методики, отражающей кардинальные изменения, произошедшие в программе курса и соответствующей современным педагогическим требованиям.
Обучение технологии должно строиться на совместной творческой деятельности учителя и учащихся. Роль учителя на уроке состоит, прежде всего, в вовлечении учащихся в мыслительную и творческую деятельность и в руководстве их практической деятельностью. Это необходимо осуществлять не на уровне выдачи заданий, а на уровне выработки совместного плана действий и обсуждения возможных направлений работы.
Используя в учебной деятельности природные (минеральные, растительные, синтетические) материалы, необходимо уделять пристальное внимание экологическим вопросам, предоставляя
возможность школьнику видеть, собирать, выбирать эти материалы в живой природе, рационально использовать их, бережно относиться к природе.
В этой связи на первый план выступает изучение учащимися современных ресурсосберегающих технологий, в частности, технологий нанесения на поверхности деталей упрочняющих или защитных порошковых покрытий. Одной из таких технологий является газопорошковая наплавка.
Вначале учащихся целесообразно познакомить с историей развития технологии наплавки. Одно из первых определений наплавки было дано изобретателем дуговой сварки Н. Н. Бенардосом в конце 19-го века: «Под наплавлением слоями я подразумеваю покрытие поверхности какого-либо металла другим металлом, расплавленным посредством вольтовой дуги» [1]. В наше время этот термин определяется так: наплавка - это нанесение посредством сварки плавлением слоя металла на поверхность изделия.
Разновидность наплавки - кузнечная наварка - была хорошо известна в глубокой древности. По свидетельству древнегреческого историка Геродота её впервые применил Главк, уроженец острова Хиос, который изготовил с помощью наварки сосуд для подарка (VI в. до н. э.). В скифскую эпоху (VII - III вв. до н. э.) племена Восточной Европы хорошо владели различными приёмами кузнечной сварки. Кузнецы Скифии выковывали клинки мечей из нескольких полос среднеуглеродистой стали. В Древней Руси в X - XIII вв. широко использовали наварку лезвия из высокоуглеродистой стали на железную основу. Таким образом. делали ножи, топоры, свёрла, копья, бритвы, мечи, серпы, косы, резцы.
Кузнечная сварка господствовала до конца XIX в., пока на основе достижений в области электротехники не были созданы новые способы соединения металлов. Наиболее распространённым среди них и сейчас является дуговая сварка.
Электрическую дугу первым изучал русский учёный, академик В. В. Петров в 1802 г. Им была отмечена высокая температура дуги, возможность плавления металлов с её помощью. Но только в 1886 г. русский изобретатель Н. Н. Бенардос получил патент «Способ соединения и разъединения металлов непосредственным действием электрического тока» [1].
Большой вклад в развитие наплавки внёс русский инженер Н. Г. Славянов, считавший важным применение электрической дуги для нанесения слоя металла на изношенные поверхности или для какой-либо другой цели. Он же первым стал широко использовать металлические порошки при сварке и наплавке для раскисления и легирования наплавляемого металла.
В 1921 г. на Дальневосточном механическом и судостроительном заводе (г. Владивосток) был организован участок по наплавке изношенных деталей судовых механизмов.
В 30-е гг. распространение получила ручная наплавка электродами с легирующим покрытием, в которое вводились и металлические порошки.
Дальнейшее применение методов наплавки с использованием в качестве присадочного материала металлического порошка связано с разработкой наплавки под слоем флюса, в защитных газах и электрошлаковой наплавки. В настоящее время широко применяются наплавка порошковыми проволоками и лентами, электрошлаковая наплавка с зернистым присадочным материалом, плазменно-порошковая, газопорошковая наплавка. Порошковые присадки используются также при индукционной и печной наплавке, электроконтактной наварке. [2]
Наиболее распространённым источником тепла при наплавке является электрическая дуга. Дуга, применяемая при наплавке - это электрический разряд в газах, возбуждаемый и поддерживаемый между упрочняемой поверхностью и электродом. Электропроводность газа обусловлена электронами и ионами, возникающими при его термической ионизации и упорядоченно движущимися в столбе дуги. Степень ионизации составляет несколько процентов. Такой ионизированный газ носит название низкотемпературной плазмы. Кинетическая и потенциальная энергия частиц плазмы преобразуется в тепло и приводит к плавлению основного, электродного и присадочного материала.
Затем следует коснуться вопроса эффективности применения электрической дуги. Для характеристики дуги как источника энергии принят ряд параметров. Один из важнейших -мощность. При наплавке в упрочняемый материал вводится не вся мощность дуги, а лишь её часть,
называемая эффективной мощностью. Нерациональные потери мощности на рассеяние в окружающую среду и разбрызгивание составляют не менее 20 ... 25 %. Наиболее высокий коэффициент полезного действия имеет закрытая дуга под флюсом.
Процесс плавления электрода под действием дуги оценивается рядом так называемых макрохарактеристик, а именно:
коэффициентом расплавления ар, который представляет собой отношение массы электрода, расплавленной за единицу времени горения дуги, к единице тока;
коэффициентом наплавки ан, который выражает отношение массы металла, наплавленной за единицу времени горения дуги, к единице тока;
коэффициентом потерь у, равному отношению потерь металла на угар (окисление плюс испарение) и разбрызгивание к массе расплавленного присадочного металла.
Ещё Н. Г. Славянов отмечал, что потери при дуговой сварке и наплавке довольно велики и могут достигать: углерода - 50 %, марганца - 25, хрома - 25, железа - 20 %. Общие потери металла
состоят из потерь на разбрызгивание ), испарение ) и окисление (¥2):
1 11 ¥ = ¥1 + ¥ + ¥2.
Разбрызгивание вызывается нестабильностью переноса металла в сварочную ванну. К этому приводят интенсивно протекающие химические реакции, специфические условия развития дуги, взрывообразное выделение газов и разрушение мостика жидкого металла при переносе капель с короткими замыканиями. Сильное разбрызгивание характерно для наплавки покрытий электродами, порошковыми проволоками и лентами, наплавки в углекислом газе.
Под действием электрической дуги, температура которой достигает 6000 К, определённая доля электродного, присадочного и основного металла испаряется. Часть его конденсируется на поверхности сварочной ванны, а часть уносится газовым потоком в окружающую среду. Потери на испарение малы и обычно не превышают 0,5 %.
Окисление легирующих элементов происходит на всех стадиях контакта жидкого металла с окислительной средой - на оплавленном торце электрода, на стадии капли и на поверхности сварочной ванны. Интенсивность окисления зависит от времени прохождения жидким металлом стадий капли и ванны, их удельной поверхности, от температуры, концентрации и активности легирующих элементов.
Технологический процесс наплавки должен обеспечивать минимальные потери электродного и дополнительного присадочного материала при максимальной производительности, которая оценивается по коэффициенту наплавки или по количеству металла, наплавленного в единицу времени. Самую высокую производительность имеет электрошлаковая наплавка. Однако в ряде случаев её невозможно использовать для упрочнения деталей небольших размеров и сложной формы. Автоматическую многоэлектродную наплавку нельзя применять для нанесения покрытий на цилиндрические детали малого диаметра из-за стекания металла. В этом случае целесообразна вибродуговая наплавка, при которой не образуется большой сварочной ванны, хотя её производительность и ниже в 5 ... 7 раз. [3]
На следующем этапе изучения целесообразно перейти к рассмотрению типов наплавочных материалов и сферы их применения. Для нанесения покрытий на детали машин и механизмов промышленностью выпускается большое количество материалов в виде электродов, проволок сплошного сечения и порошковых, порошков из сплавов для наплавки, наплавочных смесей, керамических флюсов.
Низкоуглеродистые и низколегированные стали используются в основном для восстановительной наплавки деталей, изнашивающихся от трения по металлу, которое сопровождается интенсивными ударными нагрузками: осей, валов, поддерживающих и опорных роликов, тормозных барабанов, ступиц колёс, концов рельсов, автосцепок, железнодорожных крестовин, деталей подвижного состава, сельскохозяйственных машин. Низколегированный наплавленный металл используется также для восстановления валков сортопрокатных станов, натяжных колёс и опорных роликов гусеничных тракторов, осей катков, цапф.
Углеродистые и низколегированные стали с содержанием углерода более 0,4 %, а легирующих элементов до 5 %, применяются для наплавки деталей, работающих в условиях интенсивного абразивного изнашивания, а также агрегатов, эксплуатирующихся при умеренных нагрузках и повышенных (до 600 К) температурах: бункеров и пресс-форм для кирпича, деталей пескомётов, формовочных машин, лопаток дробемётов, клыков роторных экскаваторов, ножей бульдозеров и грейдеров, деталей земснарядов, автосцепных устройств вагонов, деталей ходовой части автомобилей и тракторов, гибочных и вытяжных штампов холодной штамповки, рабочих колёс кранов, колёсных пар и бандажей, роликов транспортёрных лент.
Высокомарганцевые аустенитные стали используются для упрочнения деталей, подверженных абразивному и ударно-абразивному изнашиванию, таких, как рабочие органы землеройных машин, брикетных прессов и дробилок, лопасти дымососов и эксгаустеров, била и колосники молотковых дробилок и мельниц для размола угля, детали шаровых мельниц, бандажи валковых дробилок, звенья гусениц, железнодорожные крестовины. Такой металл применяют также для восстановления размеров и исправления литья из стали Г13Л.
Хромоникелевые и хромоникельмарганцевые аустенитные и аустенитно-ферритные стали применяются в основном для нанесения коррозионностойкого металла на уплотнительные поверхности запорной арматуры для пара и воды, энергетической и химической арматуры, для наплавки деталей, подверженных кавитационному изнашиванию: камер и лопастей гидротурбин, плунжеров гидропрессов.
Хромистые стали - это один из наиболее широко применяемых наплавочных материалов. Они обладают высокой прочностью, коррозионной стойкостью. Их часто используют для наплавки деталей, работающих в условиях абразивного, гидроабразивного, кавитационного изнашивания: деталей насосов и гидротурбин, штампов холодной штамповки, колёс кранов, колёсных пар, бандажей, роликов транспортёров с резиновыми и полимерными лентами, плунжеров гидропрессов и деталей гидротурбин, посадочных мест валов, трубопроводных вентилей, задвижек, паровых клапанов.
Хромовольфрамовые и хромомолибденовые стали целесообразно использовать для упрочнения деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания с большими давлениями (более 50 МПа) и циклической термической нагрузки: ножей ножниц горячей резки, штампов горячей штамповки, рабочих органов ковочных молотов и прессов, валков блюмингов и слябингов. Стали этой группы можно применять и для упрочнения деталей, испытывающих ударно-абразивное изнашивание: зубьев роторных экскаваторов, резцов машин для мёрзлого грунта.
Высокохромистые чугуны наряду с хромистыми сталями являются наиболее распространённым классом наплавочных материалов. Основная область их использования -наплавка покрытий, обеспечивающих повышение абразивной износостойкости деталей машин. Высокохромистые чугуны применяются для упрочнения деталей землеройных машин, лопаток дробемётов, бил молотковых дробилок, лопаток дымососов, рабочих колёс землесосов, быстроизнашивающихся деталей горячих центробежных насосов, больших конусов и чаш засыпных аппаратов доменных печей.
Наплавочные сплавы на основе железа. Интерес в этой группе представляют дисперсионно-твердеющие сплавы (системы Fе-Со-Мо и Fе-Со-W), твёрдость которых после наплавки не превышает 50 НRС, что позволяет производить механическую обработку покрытий. Следующий затем четырёхчасовой отпуск сплава при температуре около 870 К повышает твёрдость покрытия до 65 ... 67 НRС Упрочнение происходит из-за образования специфической структуры и упругих деформаций матрицы благодаря выделению интерметаллидов.
Кроме сплавов на основе железа для наплавки слоёв различного функционального назначения широко используются также медные, никелевые, хромокобальтовые (стеллиты) и композиционные сплавы.
Покрытия из сплавов на основе никеля обладают высокой износостойкостью, жаростойкостью. Применяются и для антикоррозионной защиты деталей технологического оборудования.
Хромокобальтовые сплавы (стеллиты) одними из первых стали использовать при дуговой наплавке. Они применяются там, где необходима износостойкость при повышенных температурах (900 ... 1300 К). Эти сплавы обладают высоким сопротивлением коррозии, окалиностойкостью.
Композиционные наплавочные сплавы состоят из твёрдых частиц (в основном карбидов вольфрама, титана, дроблёного лома инструментальных твёрдых сплавов) в более мягкой матрице, в качестве которой чаще всего применяются марганцевый мельхиор, содержащий около 60% Си, 20% Мп и 20% №, или сплавы на основе никеля. Применяются также и матрицы из малоуглеродистой стали.
Детали с покрытиями из композиционных сплавов наиболее широко используются в условиях интенсивного абразивного изнашивания с ударами. Этими сплавами наплавляют детали засыпных аппаратов доменных печей, шарошки буровых долот, горный и почвообрабатывающий инструмент.
И, наконец, можно подвести учащихся к изучению порошковых присадочных материалов и способов их введения в наплавляемый металл. В настоящее время в наплавочных работах самое широкое применение получил металлический порошок. Он входит в состав покрытых и трубчатых электродов, порошковых проволок и лент, флюсов, используется для легирования сварочной ванны при наплавке сплошными проволоками, при электрошлаковой, плазменнопорошковой и газопорошковой наплавке. [3]
В электродные покрытия дополнительную присадку стали вводить ещё в 30-е гг. 20-го века для увеличения коэффициента наплавки. Для этого тонкую проволоку навивали на электродный стержень. Однако, большее распространение получило введение металлического порошка в состав покрытия электрода. Этот способ позволяет повысить коэффициент наплавки и допустимую плотность тока за счёт шунтирования его части через покрытие, а также снизить удельный расход электроэнергии. В качестве легирующих и стабилизирующих компонентов электродных покрытий применяются порошки чистых металлов и различных сплавов. Реже используется легирование через электродный стержень. Применяется и комплексное легирование. В этом случае необходимые элементы содержатся одновременно в электродном стержне и в покрытии. Выбор того или иного способа легирования в основном зависит от требований к химическому составу наплавленного металла.
Отдельный вид электродов - порошковые электроды, состоящие из стержня (порошковой проволоки) с основным покрытием. Такие электроды имеют высокий коэффициент наплавки. Они обеспечивают широкий диапазон легирования наплавленного металла за счёт различных составов порошковой шихты сердечника.
Металлический порошковый присадочный материал широко используется при наплавке под флюсом. Этот способ обеспечивает минимальное окисление легирующих элементов, отсутствие пор, хорошее формирование наплавленного слоя. В качестве электрода обычно используется низкоуглеродистая проволока или лента. Необходимая концентрация легирующих элементов достигается за счёт применения механической смеси ферросплавов с флюсом или керамического флюса.
Ограниченное распространение имеет наплавка по слою порошка. Этот способ повышает производительность без увеличения мощности дуги, уменьшает глубину проплавления основного металла и зону термического влияния в нём. Снижается также степень разбавления наплавленного металла основным, что важно при наплавке высоколегированных слоёв. Однако наплавка цилиндрических деталей небольших размеров затруднена из-за ссыпания порошка с их поверхности. При наплавке сразу нескольких деталей порошковая присадка просыпается в щели между ними, что приводит к неравномерному легированию наплавленного металла, потерям порошка.
В последнее время применяется наплавка по слою порошка, предварительно наклеенного на поверхность основного металла, а также наплавка по брикету, представляющему собой смесь из порошка с клеем, высушенную и прокатанную до нужной толщины. Так наплавляют композиционные покрытия, состоящие из твёрдых тугоплавких частиц, внедрённых в пластичную металлическую матрицу. Этот метод имеет ряд преимуществ. Таким способом можно наплавлять
криволинейные поверхности, так как брикетированный порошок не ссыпается с детали, более точно выдерживается толщина слоя порошка, что улучшает формирование наплавляемого валика.
Успешно применяются порошковые проволоки и ленты, представляющие собой металлическую оболочку, заполненную порошкообразными легирующими, раскисляющими, газо-и шлакообразующими компонентами (рис. 1 - 8).
Рис. 1. Конструкции порошковых проволок: а - бесшовная; б - трубчатая стыковая; в - трубчатая с нахлёстом кромки; г - с одним загибом оболочки; д - с двумя загибами оболочки; е - двухслойная; ж, з - сложного сечения.
Рис. 4. Вид поставляемой порошковой проволоки.
Рис. 5. Схема наплавки порошковой проволокой.
Наплавка порошковыми лентами по сравнению с наплавкой проволоками обеспечивает более высокую производительность, большую ширину наплавленного валика, незначительную глубину проплавления основного металла.
При автоматической наплавке плавящимся электродом металлический порошок можно подавать в зону дуги, используя намагниченность электродной проволоки при прохождении по ней электрического тока. Однако при подаче порошка за счёт магнитных свойств электрода можно использовать только ферримагнитные материалы. Этот недостаток устраняется при наплавке плавящимся электродом с подачей порошкового присадочного материала в зону дуги струёй защитного газа (рис. 9).
Рис. 6. Поставляемая порошковая лента.
а) б)
Рис. 7. Типы порошковых лент: а - двухзамковая; б - однозамковая.
Рис. 8. Конструкция порошковой ленты: 1 -нижняя гофрированная стальная лента; 2 -верхняя стальная лента; 3 - шихта (легирующие и шлакообразующие компоненты).
Рис. 9. Наплавка с подачей порошка в сварочную ванну струёй защитного газа: 1, 3 -источники питания; 2, 4 - балластные сопротивления; 5, 6 - боковые стенки устройства; 7 - подача защитного газа; 8 - бункер для порошка с регулятором подачи; 9 - транспортирующий газ. Следование этой схеме позволит учителю познакомить учащихся с основами газопорошковой наплавки, подготовив их тем самым к дальнейшему углублённому профессиональному обучению.
Технология дуговой наплавки с газопорошковыми смесями
Первые опыты по введению легирующей присадки (угольного порошка, ферросплавов) в ванну жидкого металла при ремонтной наплавке были проведены Н. Г. Славяновым в конце 19-го века. Но этот способ не нашёл тогда применения из-за развития методов, обладавших большей технологической надёжностью, - наплавки под слоем флюса, наплавки покрытыми электродами и др. Однако во второй половине 20-го века он стал развиваться вновь, так как позволяет экономить легирующие материалы, наносить композиционные слои высокой износостойкости. При дуговой наплавке дополнительную присадку вводят в хвостовую часть сварочной ванны в виде прутка, порошка, жидкого металла. Благодаря тому, что легирующие элементы попадают в ванну, минуя зону электрической дуги, значительно сокращаются потери на окисление и испарение, улучшаются условия кристаллизации жидкого металла, повышается производительность процесса и уменьшается глубина проплавления основного металла без изменения мощности дуги.
Подача в сварочную ванну жидкого металла, образующегося при расплавлении дополнительных электродов или присадочных проволок, повышает производительность процесса, но увеличивает глубину проплавления основного металла и угар легирующих элементов (рис. 10).
Вводимую в сварочную ванну твёрдую присадку можно разделить в общем случае на монолитную (проволочную и ленточную) и порошковую. По скорости нагрева в жидком металле на первом месте находится порошок со сферической формой гранул, затем следуют (по уменьшению скорости нагрева) цилиндр с длиной, равной его диаметру (крупка), куб (частица порошка), цилиндр с неограниченной длиной (проволока), пластина с неограниченной длиной (лента). Расход присадки в виде проволоки или ленты определяется скоростью её подачи. При увеличении этой скорости выше критического значения такая присадка не успевает расплавиться, проходя через слой жидкого металла. Расплавляемый конец проволоки, ленты или прутка упирается в дно ванны и происходит его «схватывание» с застывающим металлом. Поэтому в сварочную ванну целесообразно подавать порошковую присадку, а не монолитную. [4]
Охлаждающая жидкость (Холодная)
Провод с током
Направление сварки
Рис. 10. Наплавка с подачей жидкого металла расплавляемой присадочной проволоки в сварочную ванну. Зона наплавки защищена защитным газом.
Дозировка и подача порошка в ванну производится различными устройствами -бункерными, шнековыми, барабанными, причём дозирующие механизмы, как правило, выполняют
одновременно и функции подающих. Принцип ввода присадки непосредственно в ванну у них один - ссыпание под действием силы тяжести по направляющей трубке или лотку (рис. 11).
Расположение сопла в непосредственной близости от электрической дуги приводит к перегреву устройства, закупориванию выходного отверстия брызгами расплавленного металла. По этой причине, например, наработка на отказ шнекового подающего устройства составляет в среднем 10 ... 15 мин при расстоянии от сопла до электрода 25 ... 30 мм. Для введения порошковой присадки в ванну жидкого металла необходим такой способ, который бы позволял располагать подающее устройство на безопасном расстоянии от дуги, давал возможность вводить порошковую присадку в различные зоны ванны жидкого металла без потерь и обеспечивал создание развитой контактной поверхности реагирующих фаз.
Покрытия с высокими физико-механическими свойствами можно получить при обработке жидкого металла в сварочной ванне газопорошковыми смесями. Впервые обработка жидкого металла порошками в струе газа стала применяться с середины 50-х гг. 20-го века в металлургии. Данная технология используется для дефосфации чугуна в конвертере, для внедоменной десульфации чугуна в ковше. Применяется этот метод и для получения свинцовистых сталей. Введение порошковых присадок осуществляется как продувкой газопорошковой смеси через расплав, так и выдуванием порошка на поверхность жидкого металла. Установлено, что обработка жидкого металла порошкообразными флюсами и металлическими добавками, обеспечивающая создание развитой контактной поверхности реагирующих фаз, активирует реакции на границе твёрдая фаза - жидкость, ускоряет диффузионные процессы, интенсифицирует раскисление и легирование металла. [4]
Рис. 11. Наплавка с подачей порошка в сварочную ванну: 1 - электрод; 2 - бункер с порошком; 3 - сварочная ванна; 4 - покрытие.
Использование газопорошковых смесей для активирования электродуговой наплавки путём интенсификации процессов легирования имеет ряд особенностей. Объём жидкого металла в сварочной ванне, как правило, не превышает 1 ... 2 кубических сантиметров, а его масса - 10 г. Из-за этого практически невозможна продувка газопорошковой смеси через расплав, и единственным реальным методом ввода порошковой присадки является её выдувание на поверхность сварочной ванны. Для создания высоколегированных покрытий и максимального уменьшения тепловложения необходимо вводить значительный объём порошка (относительно объёма жидкого металла) в короткий промежуток времени.
Важным условием является тщательный подбор скорости газопорошковой смеси. Это связано с тем, что высокоскоростная струя может нарушить формирование наружной поверхности покрытия, вызвать седлообразность наплавляемых валиков, наплывы, выплёскивание жидкого металла из ванны. Струя с малой скоростью не обеспечивает проникновения частиц с небольшой плотностью на необходимую глубину, а это приводит к неравномерности легирования покрытия по высоте. Оптимальными являются значения скоростей от 3,6 до 7,9 м/с.
Размеры зоны ввода порошка не должны превышать размеров зеркала сварочной ванны. В противном случае возрастают потери дорогостоящих легатур. Присадку целесообразно подавать в часть ванны, имеющую оптимальную температуру и конвективные потоки в которой обеспечивают равномерное легирование наплавленного металла. Поэтому размеры зоны ввода порошка, а, следовательно, и поперечного сечения струи, имеют важное значение.
Регулировать размеры зоны ввода порошка можно различными способами: изменяя диаметр выходного отверстия сопла, расстояние между соплом и поверхностью жидкого металла, уменьшая или увеличивая угол наклона оси струи к поверхности упрочняемой детали. Весьма перспективно использовать для этой цели спутный газовый поток, совпадающий по направлению с транспортирующей струей и окружающий её. Спутный поток, обжимая по бокам газопорошковую струю, уменьшает пограничный слой транспортирующей струи, как бы «сужает» её. Причём степень «сужения» определяется отношением скорости спутного потока к скорости транспортирующей струи. [6]
Если принять, что размеры зоны ввода определяются размерами поперечного сечения струи, то длина зоны ввода (размер в направлении наплавки) при использовании для подачи порошка осесимметричной изотермической газовой струи определяется по формуле
£0 = 0,99(г0 + 0,14х)[sin 1 (от + 0) + sin gar - 0)] ^
где го - радиус выходного отверстия сопла; х - расстояние от сопла до поверхности жидкого металла по оси струи; а - угол между осью струи и поверхностью жидкого металла; в - угол бокового расширения струи.
Данная зависимость будет справедлива при расстоянии от сопла до наносимого слоя не более длины начального участка струи, которая для осесимметричной струи составляет 12,4 радиуса выходного отверстия сопла.
На расстояниях от среза сопла, превышающих длину начального участка струи, зависимость (1) будет неверна из-за того, что струя имеет криволинейные границы на основном участке. Длину зоны ввода в этом случае можно определить по формуле
í 0 = 0,125 x[sin-\а + в') + sin ~1(а — в')] (2)
где в' - угол бокового расширения основного участка струи, равный 12°15'.
Ширина зоны ввода (размер по оси, перпендикулярной направлению наплавки) рассчитывается по формулам (1) и (2) при а = 90°.
Уменьшение угла наклона оси струи от 90о до 50° незначительно увеличивает длину зоны ввода порошка, поэтому данный интервал следует считать оптимальным.
При использовании осесимметричной струи только для х <30 мм длина и ширина зоны ввода порошка не превышает размеров зеркала ванны (для средних режимов наплавки это 10 ... 15 мм). Но на таком расстоянии от сопла до зоны наплавки брызги расплавленного металла быстро закупоривают сопловое отверстие. При расстоянии между соплом и поверхностью более 60 ... 80 мм закупорки выходного отверстия сопла не происходит. Но на таком расстоянии длина зоны ввода порошка возрастает до 7 ... 10 диаметров выходного отверстия сопла. Если размеры зеркала хвостовой части ванны жидкого металла меньше этой величины, то для регулирования поперечных размеров струи необходимо применять спутный газовый поток.
Длина зоны ввода порошка на начальном участке осесимметричной струи в спутном потоке рассчитывается по формуле
1 —m
l =[r0 +0,27х-(0,584-0,134m)] cos 0sin4 (a+0)+sin-1 (a-0)]
1+m , (3)
где т - отношение скорости спутного потока к скорости на оси начального участка струи, знак «-» соответствует случаю m > 1, « + » - m ^ 1.
Угол бокового расширения струи рассчитывается по формуле
1 1 — m
0 = arctg[-(+0,27 х-(0,584 — 0,134m) + r0)],
х 1 + m (4)
а длина начального участка - по формуле
х =± (1 + m к
0,27(1 - т ^0,214 + 0,144 т (5)
Минимальные размеры зоны ввода порошка обеспечиваются при 0,8 < т < 1,1. С увеличением х степень влияния т на длину зоны ввода возрастает. Например, для х = 40 мм изменение т от 0,5 до 1 приводит к уменьшению 1н почти в 5 раз, а для х = 20 мм - только в 3,7 раза. При расстоянии между плоскостью истечения струи и поверхностью жидкого металла 60 мм и при т = 0,5 ... 0,8 можно добиться длины зоны ввода, равной 2 ... 8 мм. Используя диапазон т от 0,5 до 1,75 и располагая наплавляемую поверхность в конце начального участка струи, можно получить расстояние от ванны до плоскости истечения в пределах 20 ... 30 Г0. Увеличение т больше 1,75 невыгодно, так как это приводит к значительному уменьшению Хн.
Длина зоны ввода порошка зависит не только от угла наклона оси струи к поверхности жидкого металла и расстояния между ней и соплом, но и от скорости газопорошковой струи, а также грануляции порошка. Зона ввода имеет минимальные размеры, определяемые по формулам (1) ... (3) при оптимальном значении скорости струи. Для порошков из сплавов для наплавки с гранулометрическим составом до 800 мкм оптимальная среднерасходовая скорость газа на выходе из сопла равна 4...7 м/с.
Газопорошковая струя оказывает существенное влияние на спутный поток. При отношении их скоростей, меньшем 0,5 ... 0,6, изменяется структура потока, увеличивается его неоднородность (рис. 12), что приводит к нарушению защиты зоны наплавки. При значении угла между осью струи и упрочняемой поверхностью менее 40 ... 50° происходит «подсасывание» воздуха вдоль поверхности уже наплавленного слоя. Увеличение расстояния между соплом и жидким металлом от 3 до 5 Г0 не вызывает существенных изменений в процессе растекания струи вдоль поверхности плоской детали. Следует отметить, что электрод и мундштук создают дополнительную турбулизацию потока. [51
Рис. 12. Спутный газовый поток при m = 0,4 и среднерасходовой скорости газа на выходе из сопла 2,5 м/с.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бенардос, Н. Н. Научно-технические изобретения и проекты. Киев, 1982.
2. Дорожкин, Н. Н. Упрочнение и восстановление деталей машин металлическими порошками. Мн., 1975.
3. Дорожкин, Н. Н., Петюшев, Н. Н. Дуговая газопорошковая наплавка. Мн., 1989.
4. Дорожкин, Н. Н., Петюшев, Н. Н., Изоитко, В. М., Донских, С. А. Способ дуговой сварки с колебаниями электрода. Патент на изобретение № RU 2047435 C1, Россия, 1995.
5. Донских, С. А., Сёмин, В. Н. Отдельные вопросы механики сплошной среды. Монография. LAP LAMBERT, 2018. - 99 с.
6. Донских, С. А., Сёмин, В.Н. Расчёт скоростей частиц порошка в двухфазной газопорошковой струе. Информационные и инновационные технологии в науке и образовании. Материалы V Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. Ростов-на-Дону, 2021. С. 776 - 781.
7. Ладыженский, Б. Н., Башмаков, А. Д. Обработка жидкого металла порошками в струе газа. М., 1961.
