Наплавлення твердихсплавів - Зварювання металів
Обробка дерева та металу
У сучасній техніці набувають широкого поширення і швидко удосконалюються тверді сплави. Розвиток техніки застосування твердих сплавів йде за двома напрямками: з одного боку, удосконалюються та покращуються склади твердих сплавів та технологія їх виробництва; з іншого боку, удосконалюється техніка нанесення твердих сплавів на вироби, переважно техніка їх наплавлення.
Тверді сплави характеризуються насамперед значною твердістю, приблизно HRC 55-94. Вони зберігають свою твердість при нагріванні до високих температур, як правило, не піддаються відпустці і не можуть бути пом'якшені термічною обробкою, тому механічна обробка твердих сплавів дуже трудомістка і може проводитися лише абразивами, у зв'язку з чим при наплавленні твердих сплавів потрібно приділяти особливу увагу відомості до мінімуму подальшої механічної обробки. Тверді сплави при дуже високій твердості, природно, мають малу пластичність і відрізняються крихкістю, тому досить погано опираються ударним навантаженням. Крихкість твердих сплавів зберігається і за високих температур, внаслідок чого вони схильні до утворення тріщин при наплавленні; на це слід звертати особливу увагу.
Тверді сплави можна розділити на чотири групи: 1) литі сплави, чи стеллиты; 2) порошкоподібні чи зерноподібні продукти; 3) керамічні чи спечені сплави; 4) плавлені карбіди. Основою всіх твердих сплавів є міцні карбіди металів, що не розкладаються і не розчиняються при високих температурах. Особливо важливі для твердих сплавів карбіди вольфраму, титану, хрому, частково марганцю. Карбіди металів дуже крихкі і часто тугоплавкі, тому для утворення твердого сплаву зерна карбідівзв'язуються відповідним металом; як зв'язування використовується залізо, нікель, кобальт.
Литі сплави можуть бути поділені на справжні стелліти та дешевші сплави-замінники. До справжніх стеллітів відноситься, наприклад, радянський твердий сплав В-ЗК. Справжні стеліти являють собою головним чином карбіди вольфраму і хрому, зцементовані кобальтом і залізом.
Внаслідок високого вмісту вольфраму та кобальту литі тверді сплави типу справжніх стеллітів досить дорогі та дефіцитні.
Литі сплави порівняно легкоплавки, температура їх плавлення дещо нижча за температуру плавлення сталей і становить близько 1300—1350 °С. Випускаються вони зазвичай як литих прутків чи стрижнів довжиною 300—400 мм, діаметром 5—8 мм. Литі сплави мають середню твердість HRC 70-80 і застосовуються головним чином для наплавлення робочих поверхонь, що піддаються значному зносу, наприклад, штампів, матриць і пуансонів, калібрів, шаблонів, деталей машин і механізмів, що працюють на тертя, і т.п. високою зносостійкістю, що зберігається до температур 600-700 ° С - початку червоного гартування.
Наплавлення твердих сплавів ведеться, як правило, у два, а іноді й у три шари. При накладенні першого шару наплавка являє собою сплав твердого сплаву з розплавленим основним металом, внаслідок чого такий сплав має знижену твердість і зносостійкість і не забезпечує отримання механічних властивостей чистого твердого сплаву. Тому перший наплавлений шар зазвичай не може служити робочою поверхнею, а є лише підкладкою для нанесення другого шару, який буде майже чистим твердим сплавом і володіти необхідними механічними властивостями. У деяких особливо відповідальних випадках вдаються до наплавленнятретього шару, що є практично вже чистим переплавленим твердим сплавом.
Для отримання економічного наплавлення твердого металу необхідно прагнути до найменшого розплавлення основного металу на мінімальну глибину; в той же час основний метал повинен бути розплавлений по всій поверхні нанлавки, інакше неминучі непровари, які можуть викликати розтріскування та відшаровування твердого шару під час роботи наплавленої деталі.
Процес газового наплавлення литого сплаву ведуть в такий спосіб. Для зменшення напруг, що виникають в наплавленому шарі, і можливості утворення в ньому тріщин деталь, що наплавляється попередньо підігрівають до початку червоного гартування. Потім поверхню металу обережно доводять нагріванням пальником на початок поверхневого оплавлення, т. е. до так званого потіння металу, коли його поверхні виступають окремі рідкі крапельки. Тоді в полум'я пальника вводять кінець дроту твердого сплаву і натирають їм поверхню деталі, розмазуючи твердий сплав по поверхні, тобто ніби обслуговуючи деталь твердим сплавом. При достатній кваліфікації зварювальника ця операція гарантує міцне зчеплення з основним металом твердого сплаву, що наплавляється, при мінімальному його витраті. На отриману таким чином підкладку наплавляють твердий сплав з мінімальним можливим розплавленням нижче шару, що лежить.
Можлива також і дугова наплавка литих твердих сплавів, для чого на прутки сплаву наносять обмазку, що не містить активних окислювачів, наприклад з мармуру, плавикового шпату і т. д., за типом обмазок УОНІ -13. Для дугового наплавлення застосовують також спеціальні електроди зі стрижнем із звичайного низьковуглецевого дроту з товстою обмазкою, що не містить активних окислювачів, в яку вводять велику кількість ферохрому іферомарганцю. Подібні дешеві електроди дають задовільну наплавку в тих випадках, коли не висуваються високі вимоги до твердості і зносостійкості наплавленого шару. Крім того, застосовують трубчасті електроди, що складаються із сталевої тонкостінної трубки, набитої порошкоподібним твердим сплавом або матеріалом, що утворює твердий сплав при розплавленні, а зовні покритою електродною обмазкою, що покращує горіння дуги і створює шлаковий захист. Успішно застосовується дугове наплавлення в інертних газах і плазмове наплавлення.
Порошкоподібні або зерноподібні сплави являють собою не сплави, а порошкоподібну суміш, шихту або матеріал для виготовлення сплаву і перетворюються на твердий сплав лише на поверхні деталі, що наплавляється в процесі наплавлення. Вони найдешевші у виготовленні та наплавленні і тому широко застосовуються в промисловості. На вигляд ці продукти є грубозернистий порошок або крупинки чорного кольору, що складаються, з зерен величиною 1-3 мм.
Розрізняють два види порошкоподібних продуктів для наплавлення: вольфрамові і вольфраму, що не містять. Вольфрамовий продукт являє собою суміш порошкоподібного технічного вольфраму або високопроцентного феровольфраму з матеріалами, що вуглерожують. Вітчизняний сплав цього типу зветься «вокар». Виготовляються подібні сплави наступним чином: порошкоподібний технічний вольфрам або високопроцентний феровольфрам змішують з такими матеріалами, як сажа, мелений кокс тощо; отриману суміш замішують у густу пасту на смолі або цукровій патоці. З суміші пресують брикети і злегка обпікають до видалення летких речовин. Після випалення брикети розмелюють та просіюють. Готовий продукт має вигляд чорних крихких крупинок завбільшки 1-3 мм. Характерною ознакоювольфрамових продуктів є їх висока насипна вага.
У Радянському Союзі винайдено порошкоподібний сплав, який не містить вольфраму і тому дуже дешевий. Сплав зветься «сталініт»; він дуже поширений у нашій промисловості. Багаторічна практика показала, що, незважаючи на відсутність вольфраму, сталініт має високі механічні показники, що в багатьох випадках задовольняють технічним вимогам. Крім того, завдяки низькій температурі плавлення (1300-1350 ° С) сталініт має істотну перевагу перед вольфрамовим продуктом, який розплавляється лише при температурі близько 2700 ° С. Низька температура плавлення сталініту полегшує наплавлення та підвищує продуктивність цього процесу.
Основою сталініту є суміш порошкоподібних дешевих феросплавів, ферохрому та феромарганцю. Процес виготовлення сталініту такий самий, як і вольфрамових продуктів. Сталініт містить 16-20% Сг і 13-17% Мп. Твердість наплавлення для окору HRC 80-82, для сталініту HRC 76-78.
Наплавлення сталініту проводиться вугільною дугою за способом Бенардосу. Газовий пальник малопридатний для наплавлення, оскільки газове полум'я здуває порошок з місця наплавлення. Деталь, що підлягає наплавленню, підігрівають до початку червоного гартування, після чого на поверхню деталі насипають сталініт рівномірним шаром товщиною 2-3 мм. Для отримання правильних країв та граней наплавлення застосовують спеціальні шаблони та обмежувачі з червоної міді, графіту чи вугілля. На насипаному шарі запалюють вугільну дугу постійного струму нормальної полярності при силі струму 150-200 а. Наплавку ведуть безперервно, без обривів дуги, і наскільки можна без повторного розплавлення наплавленого шару.
Через досить значне розплавлення основного металу вугільною дугою перший шарнаплавлення не забезпечує необхідних властивостей і має недостатню твердість, тому наплавлення сталініту ведуть у два, а іноді і в три шари. По закінченні наплавлення шару, не даючи йому охолонути, на нього насипають новий шар сталініту і виробляють наплавку, а потім - уповільнене охолодження, щоб уникнути утворення тріщин у наплавленому шарі, для чого гарячу деталь поміщають в золу, сухий пісок, пласти азбесту, слюди. п. Після закінчення наплавлення рекомендується наплавлену деталь відпалити при температурі близько 900 ° С протягом 2-3 год. одночасно усуваються внутрішні напруження. За відпалом слід уповільнене рівномірне охолодження деталі.
Зважаючи на дешевизну продукту, а також простоту і високу продуктивність процесу наплавлення сталініт дуже широко застосовується в нашій промисловості для найрізноманітніших наплавних робіт. Сталінітом наплавляють частини всіляких машин і механізмів, що піддаються швидкому зносу в роботі - штампи, робочі частини машин для обробки грунтів і гірських порід (землечерпалок, екскаваторів), зубки врубових машин і т. п. Нанлавку вокара виробляють аналогічно наплавлення сталініту.
Керамічні, або спечені тверді сплави - найважливіший вид твердих сплавів, що мають дуже високу твердість, HRC 86-90, мають важливе значення для обробки металів різанням, головним чином для оснащення металорізального інструменту. Керамічні сплави виготовляють спеціальних заводах. Основою їх, що надає їм високої твердості, є карбіди вольфраму, титану та інших елементів.
Карбіди, що виготовляються в спеціальних електричних печах, піддаються дуже тонкомурозмелювання, до найдрібнішого порошку. Порошкоподібний карбід цементується металевим кобальтом або нікелем, що володіє значною пластичністю, тому керамічні сплави менш крихкі, ніж інші види твердих сплавів, краще виносять ударне навантаження і дають стійке вістря леза металорізального інструменту, що успішно обробляє найтвердіші сорти металів. червоного жару.
Кількість зв'язки, т. е. кобальту чи нікелю, у різних марках становить 3—15%, інше карбід. У Радянському Союзі найбільш відомий керамічний твердий сплав переможе, що представляє собою карбід вольфраму, зцементований кобальтом. Для виготовлення металокерамічних сплавів найтонший порошок карбіду ретельно змішують з тонким порошком кобальту або нікелю в належній пропорції. З отриманої суміші пресують пластинки інші інші вироби. Спресовані вироби піддають попередньому випалюванню, після чого ці вироби одержують деяку міцність, але ще легко піддаються механічній обробці - доведенню, якій надають виробам остаточних розмірів; другий остаточний випал надає виробам високу механічну міцність та твердість. Після остаточного випалу металокерамічні сплави можуть оброблятись лише абразивами вищих сортів і не піддаються жодній термообробці.
Керамічні метали чутливі до високого перегріву. При нагріванні до занадто високої температури починає плавитися кобальтова або нікелева зв'язка, зв'язок між зернами карбіду послаблюється, масу сплаву проникає кисень повітря, який виробляє окислення металу. В результаті сплав втрачає механічну міцність, тріскається та розсипається при роботі.
Сплав, зіпсований внаслідок перегріву, не можна виправити • наступною обробкою, щоунеможливлює приварювання пластин до державки металорізального інструменту. При температурі, яка потрібна для розплавлення сплаву або принаймні для розплавлення сталі державки, пластинка керамічного сплаву псується і втрачає міцність.
Пластинки керамічних сплавів припаюють до державки міддю при температурі (температурі плавлення міді 1083° С), безпечної для міцності керамічного сплаву, що не погіршує його структури. Відмінні результати дає паяння міддю в атмосфері водню. Припаювання пластин керамічних сплавів може проводитися також на електричних контактах зварювальних машин.
Плавлені карбіди мають найвищу твердість, до HRC 92-94, але одночасно і значною крихкістю. За хімічним складом ці сплави є чистим сплавленим карбідом вольфраму, іноді з добавками інших речовин. Сплави відрізняються високою температурою плавлення (-3000 ° С); випускаються у формі шматків із гострими гранями. Головна сфера їх застосування - гірнича промисловість, де вони служать для оснащення бурових доліт та іншого бурового інструменту, особливо для твердих гірських порід.
Шматки сплаву вварюються в поглиблення на поверхні виробу так, щоб ріжуча грань шматочка сплаву виступала над поверхнею основного металу. Простір між шматочками сплаву заповнюють наплавленням литого або порошкоподібного сплаву. При роботі інструменту проміжний твердий сплав зношується швидше, і ріжуча грань шматочків плавлених карбідів, виступаючи над поверхнею інструменту, ріже гірську породу. Для наплавлення цих сплавів успішно використовується індукційний нагрів. Сплав поміщають на поверхню сталевого інструменту, високочастотний індуктор розплавляє поверхню сталі та вплавляє до неї зерна сплаву.