Индукционная наплавка

Нашли распространение и  индукторы с магнитопроводом, которые применяются для вытеснения тока в сторону открытого паза. Такие конструкции используют главным образом при закалке внутренних (рис. 8.8, а) или плоских поверхностей, а также в случаях, где требуется неодинаковая степень нагрева. Без магнитопровода ток в силу кольцевого эффекта концентрируется на внутренней, удаленной от нагреваемой детали, поверхности индуктирующего провода, напряженность поля на поверхности детали падает и к. п. д. индуктора резко уменьшается. 
М агнитопровод изготавливают из пластин трансформаторной стали марки Э42 или Э44 толщиной 0,2 — 0,35 мм. На радиочастотах и в некоторых случаях при частоте 8000 Гц для концентрации нагрева используют для магнитопровода ферриты. Феррит — это полупроводниковый магнитный материал, получаемый спеканием спрессованной тонкой смеси окислов некоторых металлов. Для использования в индукторах можно применять, например, ферриты, изготовленные из смеси состава: NiO - 12%, Zn — 18%, Fе₂О₃ — 66% и CuО — 4% (по массе). Температура спекания таких ферритов — 1300— 1400°С. 

Использование ферритов при  изготовлении индукторов для наплавки дает заметный эффект. Например, при индукционной наплавке очень часто возникает необходимость сконцентрировать магнитное поле на том или ином участке детали, где из-за особенности ее конструкции ил и иных причин выделяется меньше тепла. Такая неравномерность нагрева отражается на качестве наплавки и вынуждает идти на перегрев отдельных участков детали, а иногда и вообще отказаться от упрочнения таких поверхностей. В этом случае целесообразно использовать ферриты, которые дают дополнительные возможности по управлению магнитным полем высокой частоты. Ферриты особенно необходимы для индукторов для нагрева деталей сложной конфигурации, а также индукторов для нагрева внутренних поверхностей. Коэффициент полезного действия индукторов с магнитопроводом достаточно велик и достигает в среднем 80 %. 

Индуктирующий провод и другие токонесущие элементы индуктора  нагреваются при прохождении  по ним тока высокой частоты. Кроме того, наплавляемая деталь излучает тепло, которое частично поглощается индуктирующим проводом. Только в отдельных случаях выделяющееся тепло может быть рассеяно в окружающую атмосферу. В большинстве случаев для предохранения индукторов от разрушения (расплавление участков) их элементы необходимо принудительно охлаждать. 
 
            

1.4.СПОСОБЫ ИНДУКЦИОННОЙ НАПЛАВКИ

Существующие варианты наплавки с использованием индукционного  нагрева токами высокой частоты можно классифицировать по состоянию основного металла и виду присадочного (наплавляемого) материала. Различают следующие способы наплавки: порошкообразной шихтой, монолитным или брикетированным присадочным материалом, в огнеупорной среде, центробежную и жидким сплавом. 

Наплавки порошкообразной  шихтой. При наплавке порошкообразной шихтой в качестве присадочного материала используют порошкообразную шихту, которая состоит из гранулированного сплава и флюсов на основе буры. Приготовленную шихту наносят равномерным слоем на поверхность наплавляемого изделия. Затем изделие с нанесенным слоем шихты вводят в индуктор ТВЧ, форма и размеры которого определяются конфигурацией упрочняемой поверхности. Питание индуктора осуществляют от ламповых высокочастотных установок с частотой 70 или 440 кГц.После включения питания внутри индуктора возникает переменное электромагнитное поле. В электропроводящих телах, находящихся в электромагнитном поле, индуктируются токи. Происходит нагрев элементарных объемов материала и изделия в целом. Однако в данном случае наплавки шихта, расположенная между индуктором и нагреваемой (наплавляющей) поверхностью, в связи с большим сопротивлением металлического порошка незначительно реагирует на воздействие переменного электромагнитного поля. Наплавочная шихта является как бы "электропрозрачной" для возникающего в индукторе ноля. Поэтому основное количество тепла будет выделяться в тонких поверхностных слоях основного металла, а присадочный материал (шихта) будет нагреваться главным образом в результате теплопередачи от наплавляемой поверхности. В этой связи температура плавления порошкообразного сплава* входящего в состав шихты, должна быть ниже температуры плавления основного (наплавляемого) металла. При этом скорость нагрева упрочняемой поверхности должна значительно превышать скорость отвода тепла в тело детали и потерь на излучение,В  процессе нагрева шихты до температуры 600—.750°С происходит расплавление флюса и образование жидкой фазы, которая смачивает поверхность детали и частички твердого сплава. Улучшается теплопередача от основного металла в присадочный, а температурный градиент резко уменьшается. При дальнейшем нагреве увеличивается химическая активность флюса и он вступает во взаимодействие с окислами, переводя их в жидкий шлак. Одновременно происходит процесс плавления гранул присадочного материала, которые хорошо смачивают раскисленную поверхность основного металла. В результате на наплавляемой поверхности детали образуется слой жидкого присадочного сплава, наружная поверхность которого защищена от взаимодействия с кислородом воздуха слоем жидкого шлака (рис. 8.9). Учитывая скоротечность процесса наплавки, выбирают такой флюс, чтобы раскисление наплавляемого металла продолжалось в течение нескольких секунд. 

После отключения питания  индуктора ТВЧ происходит процесс кристаллизации наплавленного слоя сплава. Дальнейшая обработка заключается в удалении шлака и придании режущему (упрочненному) лезвию или всей детали окончательной формы известными методами—-гибкой, заточкой и пр.Рассмотренный вариант индукционной наплавки выгодно отличается от других известных тем, что возможна качественная наплавка не только механически обработанных поверхностей, но и покрытых слоем ржавчины или окалины. При наличии указанных видов загрязнений необходимо только незначительное увеличение количества флюсов в шихте, 

При наплавке порошкообразной  шихтой используют флюсы, состоящие в основном из трех компонентов: буры, борного ангидрида и силикокальция. Третий компонент вводят для повышения активности раскисления, так как в состав силикокальция входит силицид кальция (СаS1₂) и примеси алюминия, магния, железа и пр. Как известно, силицид кальция широко используется в металлургической промышленности как высокоактивный восстановитель окислов металлов. Добавка силикокальция в флюс позволяет резко уменьшить вязкость шлака в интервале температур, начиная от момента завершении процесса наплавки до полной кристаллизации жидкого сплава. Кроме того, силикокальций способствует хорошей дегазации расплава, предотвращает появление на поверхности металла окислов типа вьестита и обеспечивает рафинирование жидкого присадочного сплава в результате удаления неметаллических включений, содержащих по 30 % кальция. 

В практике индукционной наплавки используют флюсы двух типов: плавленые и в виде механической смеси различных компонентов. Плавленые флюсы получают в результате совместного предварительного плавления при температуре около 850 °С кристаллической буры, борной кислоты и силикокальция. Такие флюсы обозначают индексом П (плавленые) и цифрой, которая показывает массовое отношение количества борного ангидрида к буре. Например, у флюса марки П-1,5 отношение содержания борного ангидрида к буре равно 1,5. Флюсы, представляющие собой механическую смесь буры, борного ангидрида и силикокальция, вводятся непосредственно в наплавочную шихту в виде исходных компонентов (табл. 8.6). 
 
Однако та кие флюсы имеют ряд существенных недостатков :компоненты флюса не подлежат длительному хранению; происходит значительное газовыделение в процессе наплавки; имеется токсичность борного ангидрида; имеется гигроскопичность отдельных компонентов. 
В  отличие от механических смесей плавленые флюсы практически не растворимы в воде. Это позволяет использовать наплавочные пасты с пластификаторами, содержащими воду. Токсичные в отдельности компоненты после сплавления образуют инертное при комнатной температуре соединение. При использовании флюсов группы П заметно улучшается формирование Поверхности наплавленного сплава. 

Для сокращения расхода дорогостоящих борсодержащих компонентов некоторая часть их может быть заменена определенным более дешевым наполнителем, например, гранулами стекла, роль которого сводится только к механической защите поверхности от окисления. Установлено, что без ущерба для качества наплавки во флюсе можно заменить до 30 % борсодержащих компонентов. В качестве инертных добавок в состав флюса вводят дробленое стекло или сварочный флюс АН-348А, который усиливает различия в коэффициентах линейного расширения шлака и сплава. Это способствует более полному отдалению шлаковой корки с наплавляемой поверхности. Введение добавок-заменителей в состав флюса снижает его стоимость. 

В качестве наплавочного материала используют металлический порошок. Известно, что металлические порошки практически не реагируют на действие переменного электромагнитного поля индуктора ТВЧ, а их нагрев осуществляется главным образом в результате теплопередачи от основного (наплавляемого) металла. В этой связи сплавы, которые используются для индукционной наплавки, должны отвечать некоторым дополнительным требованиям: температура плавления сплава должна быть ниже температуры плавления основного металла не менее чем на 100— 150 "С; наплавочный материал должен быть в виде порошка определенного гранулометрического состава; сплав должен иметь минимальную магнитную проницаемость. 
 
         Износостойкость наплавленного сплава зависит от числа твердых составляющих в структуре сплава. В области/восстановления и упрочнения деталей применяют два различных способа управления содержанием твердых составляющих в наплавке: изменением химического состава сплава; введением в шихту труднорастворимых примесей, образующих в результате взаимодействия с легкоплавкой связкой специфические композитные материалы — псевдосплавы. 
 
         В настоящее время наиболее широко распространен первый способ регулирования содержания твердых составляющих в сплаве. К преимуществам псевдосплавов (композитных материалов) следует отнести возможность в очень широких пределах управлять свойствами наплавляемого материала, а результате выбора соответствующих компонентов. 
 
Композиции псевдосплавов, используемые для индукционной наплавки, имеют такие общепринятые условные обозначения: 
 
Сормайт + релит ....................... ПС-3 
 
Сормайт + феррохром .............. ПС-4 
 
Белый чугун + феррохром ............... ПС-6 
 
Наплавка псевдосплавами с каждым годом распространяется как у нас в стране, так и за рубежом. Состав наиболее распространенных порошкообразных наплавочных материалов приведен в табл. 8.7. 
Наплавка порошкообразной шихтой используется для ограниченной номенклатуры автомобильных деталей. 
 

Таблица 8.7. Износостойкие  материалы для индукционной наплавки 
 
 
 
Например, разработана технология и автоматическая установка модели 01-03-172 "Ремдеталь" для индукционной наплавки фасок клапанов. Предназначена она для восстановления (упрочнения) фасок клапанов всех типоразмеров автотракторных двигателей порошковыми самофлюсующимися материалами типа П Г-12Н-01 (ИКС 35 — 40) на основе никеля. Нагрев осуществляется токами высокой частоты (70 кГц). Удержание расплавленного присадочного сплава массой до 30 г на фаске клапана осуществляется в результате электромагнитного поля, создаваемого специальным индуктором.По конструкции автомат состоит из загрузочного устройства, дозатора шихты, нагревательного индуктора и кристаллизатора. Данную установку наиболее целесообразно использовать в цехах централизованного восстановления изношенных деталей (ЦВИД). Установка позволяет восстанавливать тарелки клапанов диаметром до 70 мм при толщине наплавляемого слон до 3 мм. Производительность автомата при 2сменной работе 100 тыс. штук клапанов в год. 
 
       Наплавка монолитным ила брикетированным материалом. При наплавке монолитными или брикетированным присадочным материалом на упрочняемую поверхность наносят монолитный или брикетированный присадочный материал, форма и размеры которого приблизительно соответствуют необходимому наплавленному слою. Затем осуществляется расплавление ТВЧ присадочного материала на основном металле.Данный способ впервые был использован западными автомобильными фирмами. Например, английская фирма "Austi motor Co. Ltd" разработала технологию и оборудование для восстановления и упрочнения наплавкой автомобильных клапанов. В качестве присадочного материала применяют литые кольца из стеллита. 
       Шесть технологических позиций, приведенных на рис. 8,10, поясняют сущность принципиальной схемы способа. В тарелке клапана предварительно протачивают канавку, в которую укладывают кольцо стеллита. Затем заготовку клапана закрепляют за стержень в вертикальном положении при помощи механизма фиксации установки (позиция /). 
В позициях // — /// осуществляется нанесение флюса на наплавляемую поверхность (канавку под кольцо стеллита). Для этого при помощи защелок присадочное кольцо стеллита приподнимается на определенную высоту над тарелкой клапана и удерживается в этом положении. Далее сопряженные поверхности кольца и канавки опрыскиваются из сопла струей очищенного от серы масла. В позиции /// на промасленные участки из другого сопла наносится флюс. Пылеобразные частички флюса хорошо прилипают к поверхностям, покрытым маслом. После этого защелки занимают крайнее нижнее положение, и присадочное кольцо возвращается в исходное положение.В позициях IV — V осуществляется двухступенчатый и а грев основного и присадочного материалов. Сначала изделие нагревается предварительно при помощи неподвижного индуктора, питаемого от установки ТВЧ мощностью 2,5 кВт и частотой 450 кГц. Затем (позиция V ) заготовки клапана нагреваются окончательно подвижным индуктором, который запитан от более мощного (10 кВт) высокочастотного генератора. Р результате нагрева происходит расплавление флюса и присадочного материала (кольца). Жидкий флюс очищает наплавляемую поверхность от окислов, а поступающий сюда затем расплав стеллита сваривается с основным металлом заготовки клапана. 
В позиции VI при помощи специальной камеры и вращающегося кристаллизатора осуществляется направленная кристаллизация наплавленного слоя стеллита и охлаждение биметаллической заготовки до комнатной температуры.  
   

Наплавка в  огнеупорной среде. Наплавка позволяет восстанавливать не только плоские, но и цилиндрические, конические и прочие рабочие поверхности деталей. Это обеспечивается в результате принудительного формирования расплава на упрочняемой (восстанавливаемой) поверхности специальной огнеупорной оболочкой. Р ассмотрим сущность да иного способа на примере наплавки цилиндрической поверхности цапфы вала (рис. 8.11). На наплавляемую поверхность детали наносят слой присадочного металла требуемой формы и размеров. Присадочный металл наносят любыми известными методами — установкой монолитных или брикетированных втулок, заливкой жидкого металла, расплавлением мерных заготовок и пр. Для каждого конкретного случая в зависимости от особенностей наплавляемой поверхности выбирают свою технологическую схему подачи присадочного сплава. Огнеупорную оболочку наносят на наружную поверхность присадочного металла и частично на наплавляемую деталь. В качестве материала для огнеупорной оболочки используют смесь, состоящую из мелкозернистого (размер зерен обычно менее 0,2 мм) наполнителя (кварцевый песок, магнезит и др.) и связующего компонента — термореактивной смолы. Песчано-смоляные смеси быстро твердеют при тепловой обработке, после которой оболочка приобретает прочность и хорошую газопроницаемость. Для индуктируемого электромагнитного поля огнеупорная оболочка является "электропрозрачной". Благодаря этому происходит нагрев и плавание присадочного и частично или полностью основного металла в объеме, замкнутом оболочкой. Варьируя временем нахождения наплавляемой детали во включенном индукторе, можно управлять глубиной проплавления основного металла. В результате наличия эффекта электромагнитного перемешивания металла происходит интенсивное усреднение состава присадочного и основного материалов внутри огнеупорной оболочки. При частичном расплавлении основного металла граница сплавления образуется в месте контакта жидкой и твердой фаз. При полном переводе основного металла в жидкую фазу граница сплавления отсутствует. Благодаря тому, что нагрев, плавление и кристаллизация металла происходят внутри огнеупорной оболочки (без доступа атмосферного кислорода), качество наплавленных деталей высокое. После остывания с наплавленной детали легко удаляется огнеупорная оболочка. Изделие направляют на последующую механическую обработку. 
 
'Данный способ может быть использован для восстановления зубчатых венцов и валов коробок передач, ведущих шестерен, главной передачи автомобиля и других деталей. 

Центробежная  индукционная наплавка. Наплавка используется для восстановления и упрочнения внутренних цилиндрических поверхностей. К особенностям данного способа следует отнести принудительное формирование расплава присадочного металла центробежными силами. 
 
В зависимости от агрегатного состояния присадочного материала различают две разновидности центробежной наплавки. В одном случае присадочный металл подается на наплавляемую поверхность в твердом состоянии в виде кусочков, стружки, порошка и пр. В другом — подается на предварительно на гретую поверхность в виде расплава. Принципиальные технологические схемы обоих вариантов представлены на рис. 8.12, а и б. 
 
В  первом случае стальную заготовку втулки закрепляют в патроне шпинделя центробежной установки с горизонтальной осью вращения. Порция присадочного металла определенной массы (определяется размерами наплавляемого слоя) вместе с флюсом подаются во внутреннюю полость втулки, размещенной в цилиндрическом индукторе ТВЧ. Для нагрева втулок используют одно- и много-витковые индукторы. При использовании одновиткового индуктора центробежные установки должны помимо вращательного обеспечивать и возвратно-поступательное движение шпинделя. В этом случае вся поверхность заготовки будет равномерно нагреваться до заданной температуры. Заготовки втулок перед наплавкой закрывают с обоих торцов специальными крышками (заглушками). По конструкции они бывают глухие или с отверстием, служащим для выхода газов и визуального наблюдения за процессом. Во избежание выплеска жидкого металла в процессе наплавки крышки во время сборки уплотняют асбестовыми прокладками.