Технологии наплавки

Технологии наплавки

Наплавка – это процесс нанесения расплавленного металла на поверхность изделия, нагретую до оплавления. Наплавленный металл образует одно целое с основным металлом, связан весьма прочно и надежно. Путем наплавки можно получать непосредственно на рабочей поверхности изделия сплав, обладающий желательным комплексом свойств, - износостойкий, кислотоупорный, жаростойкий и т. п. Вес наплавленного металла не превышает нескольких процентов от веса изделия. При ремонте обычно восстанавливаются первоначальные размеры и свойства поверхности деталей.

Наплавка позволяет создавать биметаллические изделия, у которых высокая прочность и низкая стоимость сочетаются с большой долговечностью в условиях эксплуатации.

Классификация цветных металлов и сплавов

Цветные металлы обладают разнообразными свойствами. Главными характеристиками конструкционных цветных металлов являются плотность, температура плавления и кипения, химическая активность при высокой температуре и особенно в расплавленном состоянии. По этим причинам данные металлы можно разделить на следующие основные группы.

1. Легкие  металлы – алюминий, магний, бериллий. Плотность металлов минимальна  и не превышает 2,7 г/смБ3 . Наиболее легкий металл этой группы – магний.

2. Тяжелые  металлы – медь, никель, свинец, цинк, золото, серебро, палладий, платина. Плотность металлов не менее 7 г/см3 . Металл с максимальной плотностью – платина. Последние четыре металла образуют подгруппу благородных металлов.

3. Химически  активные и тугоплавкие металлы  – ванадий, вольфрам, гафний, молибден, ниобий, тантал, титан, хром, цирконий. Эти металлы объединяет чрезвычайно большая реакция способность соединения с другими элементами (в первую очередь с газами атмосферы) при высокой температуре, особенно в расплавленном состоянии.

Легкие цветные металлы

Алюминий

Алюминий хороший проводник тепла и электричества. Электропроводность алюминия составляет 60 – 65 % электропроводности меди.

Алюминий – химически активный металл. Его поверхность легко покрывается окисной пленкой, предохраняющей металл от дальнейшего взаимодействия с окружающей средой.

Алюминий и его сплавы благодаря защитному действию окисной пленки обладают высокой коррозионной стойкостью в атмосферных условиях. Устойчивость алюминия сохраняется и в тех средах, которые не разрушают эту пленку (сероводород, аммиак, пресная и морская вода, концентрированная азотная кислота, серная кислота). Многие сплавы на основе алюминия обладают достаточно высокой прочностью, сочетающейся с малой плотностью и удовлетворительной пластичностью, что делает их весьма ценными конструкционными материалами.

Алюминиевые сплавы используют в сварных конструкциях различного назначения. Их разделяют на литейные и деформируемые по пределу растворимости элементов в твердом растворе. Большинство элементов, входящих в состав алюминиевых сплавов, обладает ограниченной растворимостью, изменяющейся с температурой.

Окисная пленка на поверхности алюминия и его сплавов затрудняет процесс сварки. Обладая высокой температурой плавления (2050 0С), окисная пленка не расплавляется в процессе сварки и покрывает металл прочной оболочкой, затрудняющей образованию общей ванны. Вследствие адсорбционной способности к газам и парам воды окисная пленка является источникам газов, растворяющихся в металле, и косвенной причиной возникновения в нем несплошностей различного рода. Частицы окисной пленки, попавшие в ванну, а также часть пленок с поверхности основного металла, не разрушенных в процессе сварки, могут образовывать окисные включения в швах, снижающие свойства соединений и их работоспособность.

Для осуществления сварки должны быть приняты меры по разрушению и удалению пленки и защите металла от повторного окисления. С этой целью используют специальные сварочные флюсы или сварку осуществляют в защитных газах.

При подготовке деталей из алюминиевых сплавов под сварку профилируют свариваемые кромки, удаляют поверхностные загрязнения и окислы. Обезжиривание и удаление поверхностных загрязнений осуществляют с помощью органических растворителей (уайта-спирит, технического ацетона, растворителей РС-1и РС-2) или обработкой в специальных ваннах щелочного состава.

Магний

Невысокая пластичность магния обуславливает плохую свариваемость и технологичность при обработке. Магний хорошо обрабатывается резанием, однако механические и литейные свойства его низкие, что затрудняет применение магния в качестве конструкционного материала. В атмосферных условиях при нормальной температуре он имеет удовлетворительную коррозионную стойкость, так как на его поверхности образуется защитная окисная пленка из MgО. Но в присутствии влаги магний быстро корродирует, образуя гидроокись. Со многими металлами магний образует сплавы, которые обладают более высокими по сравнению с чистым магнием механическими свойствами и коррозионной стойкостью. Это значительно расширяет область применения магния, в том числе в качестве свариваемого конструкционного материала.

Магний является одним из металлов с высоким сродством к кислороду. Поэтому сплавы на основе магния в условиях сварки активно окисляются кислородом окружающей среды. В связи с высокой температурой плавления окисная пленка на поверхности кромок свариваемых деталей затрудняет образование общей сварочной ванны и должна быть разрушена или удалена в процессе сварки. Кроме кислорода, в атмосфере, окружающей ванну, могут присутствовать СО, СО2, пары воды, азот и водород. Магний взаимодействует с этими газами, образуя карбиды, нитриды и окислы.

Подготовка под сварку деталей заключается в удалении поверхностных загрязнений, окисных и защитных пленок, а также профилировании свариваемых кромок.

Тяжелые цветные металлы

Медь

Механические свойства меди в значительной степени зависят чистоты металла и степени предшествующей пластической деформации. Чистая медь обладает небольшой прочностью и высокой пластичностью, хорошо сваривается. С понижением температуры прочностные свойства меди уменьшаются, а пластичность сохраняется достаточно высокой вплоть до температуры жидкого азота. С повышением температуры прочность меди уменьшается.

Ценнейшие технические свойства меди и ее сплавов (большая электропроводность и теплопроводность, высокая коррозионная стойкость, отличная пластичность и способность подвергаться пластической деформации в холодном и нагретом состоянии, склонность к образованию многих сплавов с широким диапазоном различных свойств и др.) способствуют применению их в различных отраслях народного хозяйства.

Инертная при обычных температурах медь при нагреве реагирует с кислородом, серой, фосфором и галогенами. С водородом она образует неустойчивый гидрид СuН, с углеродом образует ацетиленистую медь Сu2С2 (взрывчатую); с азотом медь не реагирует, что позволяет азот использовать как защитный газ для сварки чистой меди. Газы, образующиеся в результате реакций, не растворяются в твердой меди и нарушают металлическую связь между зернами, приводя к образованию трещин – «водородная болезнь» меди.

Наплавку меди на сталь можно производить, используя различные способы сварки. Хорошие результаты можно получить при наплавке под флюсом плавящимся электродом, подающимся автоматической головкой, совершающей колебания в плоскости, перпендикулярной к поступающему движению.

Медные сплавы – латуни и бронзы – наплавляют на сталь и чугун, чтобы наиболее экономично использовать высокую стойкость против коррозии, низкий коэффициент трения и другие ценные свойства, присущие этим сплавам. Кремнемарганцевая бронза БрКМц3-1отличается мелкозернистой структурой и высокой вязкостью. Алюминиевые бронзы обладают антифрикционными свойствами, главная составляющая структуры – твердый раствор (α – фаза). Алюминиево - железные бронзы очень хорошо работают в узлах трения, их наплавляют на заготовки для изготовления червячных колес, сухарей и других деталей.

Никель

Никелевые сплавы – очень важная группа наплавочных сплавов. Эти сплавы сочетают жаростойкость, сопротивление износу, стойкость против коррозии с ценными технологическими свойствами. Они успешно используются для уплотнительных поверхностей арматуры пара высоких параметров, а также для различных направляющих, пресс- форм для стекла и проч.

Сплав ХН60ВУ служит для наплавки выхлопных клапанов тяжелых грузов автомобилей, работающих при температуре до 800 0С.

Медно- никелевый сплав ДН70ГТЖ (монель) устойчив в таких агрессивных средах, как кипящая 10%-ная серная кислота Н2SO4 и кипящий раствор NH4Cl.

На свойства металла сварных швов влияет содержание в нем серы и свинца. Сера обладает большим химическим сродство к никелю. Низкоплавкая эвтектика (сульфид никеля), располагаясь вдоль границ зерен металла, охрупчивает его. Сульфид никеля может образовываться, если с никелем соприкасаются материалы, которые содержат даже небольшое количество серы, например горючие материалы, масло и др.

Повышенные требования при сварке никеля и его сплавов предъявляются к чистоте поверхности металла.

Для предупреждения образования в швах пор необходимо предупреждать контакт расплавленного металла с атмосферным воздухом. Никель и никелевые сплавы в расплавленном состоянии могут растворять большое количество газов (азота, водорода, кислорода), которые, выделяясь при кристаллизации и охлаждении металла шва, могут приводить к образованию в них пор.

Химически активные и тугоплавкие металлы

Титан

Плотность титана почти в 2 раза ниже, чем у железа, поэтому его можно также отнести к числу легких металлов. Титан обладает весьма высокими температурами плавления и кипения. Коэффициент теплопроводности титана примерно в 4 раза меньше, чем у железа, и в 13 раз, чем у алюминия. Удельное электросопротивление титана превосходит такой же показатель для железа в 6 раз, а для алюминия – более чем в 20 раз. При очень низкой температуре (около 0,5 К) титан становится сверхпроводимым.

Титан – химически активный металл при высокой температуре, особенно в расплавленном состоянии.

При комнатной температуре титан весьма устойчив против окисления. Взаимодействие металла с кислородом и азотом начинается при повышенной температуре. Титан обладает высокой коррозионной стойкостью на воздухе, в морской воде и во многих агрессивных средах. Это объясняется образованием на поверхности металла плотной защитной окисной пленки. Титан наиболее стоек в окислительных средах. В восстановительных средах он корродирует довольно быстро вследствие разрушения защитной окисной пленки.

Одним из недостатков титана является небольшое значение модуля упругости.

Основная проблема свариваемости титановых сплавов – получение сварных соединений с хорошей пластичностью, зависящей от качества защиты и чувствительности металла к термическому циклу сварки. Заметное насыщение металла шва кислородом, азотом и водородом в процессе сварки происходит при температурах ≥ 350 0С. Это резко снижает пластичность и длительную прочность сварных конструкций. Поэтому зона сварки должна быть тщательно защищена от взаимодействия с воздухом путем сварки в среде инертных газов высокой чистоты, под специальными флюсами, в вакууме.

Сварку деталей из титановых сплавов производят после того, как снимут газонасыщенный (альфированный) слой. Удаление альфированного слоя с применением травителей предусматривает:

а) предварительное рыхление альфированного слоя дробеструйной или пескоструйной обработкой;

б) травление в растворе, содержащем 40% НF, 40% HNO3, 20% H2O;

в) последующую зачистку кромок на участке шириной 10 – 15 мм с каждой стороны металлическими щетками для удаления тонкого слоя металла, насыщенного водородом при травлении.