Восстановление деталей гальваническим способом и методом наплавки

метки: Деталь, Восстановление, Покрытие, Наплавка, Гальванический, Металл, Поверхность, Проволока

Со временем, детали машин изнашиваются или повреждаются, могут возникать трещины, износ и. тд.

Ремонт деталей пластической деформацией — один из наиболее распространенных методов ремонта деталей, основанный на пластической деформации изношенных деталей с последующей механической обработкой. Метод используют для выправления вмятин, погнутости, скручивания, изменения посадочных размеров изношенных мест деталей (увеличения диаметра изношенных шеек осей, валов, уменьшения диаметра изношенных поверхностей втулок), повышения прочности деталей (дробеструйный наклеп) и снижения шероховатости механической обработки (накатка роликами шеек валов вместо их шлифования).

Так же детали можно восстановить при помощи гальванических покрытий или придать им определенные свойства, повысить прочность хромированием.

В настоящее время гальванические покрытия и методы наплавки играют большую роль в автомобилестроении и различных отраслях промышленности, находят широкое применение защитные гальванические покрытия металлами и сплавами, которые обладают повышенной коррозионной стойкостью, твердостью, декоративными качествами, жаропрочными свойствами и др. Альтернативных покрытий на данный момент крайне мало. Восстановление деталей является актуальной темой, поскольку, востребовано в промышленности и автомобилестроении.

Объект исследования- методы восстановления деталей

Целью работы — является изучение способов восстановления деталей гальваническим способом и методом наплавки.

• Рассмотреть виды гальванических покрытий
• Рассмотреть виды восстановления деталей наплавкой
• Проанализировать технологии восстановления деталей

Логика исследования обусловила структуру работы, состоящей из введения, двух основных глав, заключения и списка использованной литературы. В первой части рассматривается восстановление деталей, методом наплавки, во втором восстановление деталей гальваническим способом.

1. Восстановление деталей наплавкой

индукционный наплавка деталь лазер

Наплавкой называется процесс нанесения одного расплавленного металла (называемого присадочным) на поверхность другого (называемого основным).

При этом основной металл также расплавляется на небольшую глубину. Цель наплавки может быть различной: восстановление утраченной геометрии детали или придание ей новой формы, образование поверхностного слоя с заданными физико-механическими свойствами (такими как повышенная твердость, износостойкость, антифрикционность, коррозионная стойкость, жаростойкость и пр.), упрочнение наплавкой.

Восстановление зубчатого колеса

... ленту. Способ применяют для восстановления деталей с износом более 0,6 мм. Вибродуговая наплавка. Вибродуговая наплавка является разновидностью электродуговой наплавки и используется для наращивания изношенных поверхностей цилиндрических деталей. Этот способ применяется для ...

Наплавку можно производить на любые поверхности плоские, конические, цилиндрические, сферические. В больших пределах может меняться и ее толщина от нескольких долей миллиметра до сантиметра и более.

В основных своих моментах технология наплавки сходна с технологией сварки. Перед ней стоят те же задачи, что и перед сваркой — защита наплавляемого металла от газов, содержащихся в воздухе, получение плотного, без пор, трещин и посторонних включений металла шва. . При наплавке следует соблюдать основные принципы, заключающиеся в ряде требований:

• Необходимо стремиться к минимальному проплавлению основного металла. Это достигается путем наклона электрода в сторону, обратную ходу наплавки.
• Должно быть как можно меньшее перемешивание наплавленного металла с основным.
• Нужно стараться достичь минимальных остаточных напряжений и деформаций в детали. Это требование во многом обеспечивается соблюдением двух предшествующих.
• Необходимо снижать до приемлемых значений припуски на последующую обработку детали.

Говоря другими словами, нужно наплавлять металла ровно столько, сколько необходимо, и не больше.

Применяются различные способы наплавки металла — электродуговая, электрошлаковая, индукционная, плазменная, лазерная, вибродуговая, порошковая наплавки. Наибольшее распространение получила дуговая наплавка.

При выборе способа, технологии наплавки и присадочных материалов необходимо руководствоваться следующими требованиями: глубина проплавления должна быть наименьшей; дефекты наплавленного металла (поры, макро- и микротрещины) исключаются; предпочтение следует отдавать наплавке постоянным током; наплавленный металл должен быть технологичным — поддаваться механической обработке без потери режущего инструмента.

Материалы для наплавки существуют в различных формах. Это могут быть присадочные прутки, порошкообразные смеси, наплавочные покрытые электроды, порошковая и цельностержневая проволока. В электродуговой наплавке применяются в основном покрытые электроды, присадочные прутки и проволока (таблица 1).

Таблица 1

Ип	Марка	Область применения
Э42А	УОНИ-13/45	Заварка трещин в рамах тележек, вварка вставок, наплавка изношенных мест в рамах, заварка трещин в остовах электрических машин
Э50А	УОНИ-13/55	Сварочные работы на рамах кузова, тележек, приварка наличников букс и буксовых направляющих из стали 65Г Сварочные работы на опорах кузова, его конструкциях, колесных центрах, остовах электрических машин, наплавка изношенных мест базовых деталей механической части
Э42А	УОНИ-13/45; АНО-7; ОЗС-2
Э46	ОЗЛ-6	Приварка наличников букс и буксовых направляющих из стали ЭИ256
	034-1;ЦЧ-4;МНЧ-1	Сварка чугунных деталей горячим и холодным способом, заварка трещин, раковин в чугунных крышках и цилиндрах

Таблица 2. Проволоки для дуговой механизированной сварки и наплавки

Марка проволоки	Область применения
Св-08	Исправление мелких дефектов крыши и боковых стенок кузова
Св-10ГА	Наплавка вытертых мест рамы кузова, вентиляционных окон остовов двигателей
Св-08А	Наплавка под флюсом, легирующим присадочный металл: гребни бандажей колесных пар, валики
Св-08Г2С	Вварка вставок в дефектные места крыши, боковых стеной кузова в среде углекислого газа Наплавка деталей механизма автосцепки, заплавка отверстий под резьбу в деталях механической части, наплавка вытертых мест рамы (НВ 170—230)
Нп-45
Нп-80	Наплавка изношенных валиков рессорного подвешивания, тормозной рычажной передачи, изношенных мест корпуса автосцепки (НВ 260—340)
Нп-Г13А	Наплавка гребней бандажей колесных пар, крестовин стрелочных переводов (НВ 220—280)

1.1 Наплавка покрытыми электродами

Наплавка покрытыми наплавочными электродами относится к основным способам, применяемым как в промышленности, так и в быту, в силу ее простоты, удобства, отсутствия необходимости в специальном оборудовании. Выпускается большое количество марок электродов, создающих наплавочный слой с различными характеристиками, обеспечивающими требуемые качества изделий для работы в тех или иных условиях.

Наплавка требует определенных навыков в работе. При минимальном токе и напряжении, чтобы не увеличивать долю основного металла в наплавленном, оплавить оба компонента. Состав металла будет определять тип электрода, а толщину и форму — диаметр электрода. Существует большое количество электродов, проволоки, порошков, для различный металлов и целей (таблица 3-4).

Таблица 3. Электроды для ручной и механизарованной наплавки

Ип	Марка	Область применения
Э42А	УОНИ-13/45	Заварка трещин в рамах тележек, вварка вставок, наплавка изношенных мест в рамах, заварка трещин в остовах электрических машин
Э50А	УОНИ-13/55	Сварочные работы на рамах кузова, тележек, приварка наличников букс и буксовых направляющих из стали 65Г Сварочные работы на опорах кузова, его конструкциях, колесных центрах, остовах электрических машин, наплавка изношенных мест базовых деталей механической части
Э42А	УОНИ-13/45;АНО-7;ОЗС-2
Э46	ОЗЛ-6	Приварка наличников букс и буксовых направляющих из стали ЭИ256
	034-1; ЦЧ-4; МНЧ-1	Сварка чугунных деталей горячим и холодным способом, заварка трещин, раковин в чугунных крышках и цилиндрах

Таблица 4. Проволоки для дуговой механизированной сварки и наплавки

Марка проволоки	Область применения
Св-08	Исправление мелких дефектов крыши и боковых стенок кузова
Св-10ГА	Наплавка вытертых мест рамы кузова, вентиляционных окон остовов двигателей
Св-08А	Наплавка под флюсом, легирующим присадочный металл: гребни бандажей колесных пар, валики
Св-08Г2С	Вварка вставок в дефектные места крыши, боковых стеной кузова в среде углекислого газа Наплавка деталей механизма автосцепки, заплавка отверстий под резьбу в деталях механической части, наплавка вытертых мест рамы (НВ 170—230)
Нп-45
Нп-80	Наплавка изношенных валиков рессорного подвешивания, тормозной рычажной передачи, изношенных мест корпуса автосцепки (НВ 260—340)
Нп-Г13А	Наплавка гребней бандажей колесных пар, крестовин стрелочных переводов (НВ 220—280)

Напряжение дуги определяет форму наплавленного валика, при его повышении увеличивается ширина и уменьшается высота валика, возрастает длина дуги и окисляемость легирующих примесей, особенно углерода. В связи с этим стремятся к минимальному напряжению, которое должно согласовываться с током дуги.

Наплавка деталей из стали осуществляется, как правило, постоянным током обратной полярности (на электроде «плюс») в нижнем положении (рис 1)

Рис 1. Прямая (слева) и обратная (справа) полярности подключения электрода

Детали из низкоуглеродистых и низколегированных сталей наплавляют обычно без предварительно нагрева. Но нередко требуется предварительный подогрев и последующая термообработка с целью снятия внутренних напряжений. Более детальные требования к наплавке сообщаются в документации на применяемые наплавочные электроды. Например, для электрода ОЗИ-3 приводятся следующие технологические особенности: «Наплавку производят в один-четыре слоя с предварительным подогревом до температуры 300-600°С. После наплавки рекомендуется медленное охлаждение. Возможна наплавка ванным способом на повышенных режимах. Прокалка перед наплавкой: 350°С, 1 ч.»

Поверхность детали перед наплавкой очищается от масла, ржавчины и других загрязнений.

Применяются различные схемы расположения наплавочных швов. В случае плоских поверхностей различают два основных вида наплавки — использование узких валиков с перекрытием друг друга на 0,3-0,4 их ширины, и широких, полученных увеличенными поперечными движениями электрода относительно направления прохода.

Рис 2. Наплавка металла узкими валиками

Другой способ — укладка узких валиков на некотором расстоянии один от другого. При этом шлак удаляют после наложения нескольких валиков. После этого валики наплавляются и в промежутках.

Во избежание коробления деталей, наплавление рекомендуется проводить отдельными участками, «вразброс», а укладку каждого последующего валика начинать с противоположной стороны по отношению к предыдущему, либо погружать деталь в воду оставляя открытой только ремонтируемую часть.

Наплавка цилиндрической поверхности выполняется тремя способами — валиками вдоль образующей цилиндра, валиками по замкнутым окружностям и по винтовой линии. Последний вариант (по винтовой линии) является особенно удобным в случае механизированной наплавки, при которой детали в процессе наплавки придается равномерное вращение.

Рис 3. Схема наплавки металла на цилиндр

Для восстановления и повышения срока службы режущего, штампового и измерительного инструмента, а также деталей механизмов, работающих при интенсивном износе, применяется наплавка рабочих поверхностей твердыми сплавами, представляющими собой соединения таких металлов, как титан, вольфрам, тантал, марганец, хром и других с бором, углеродом, кобальтом, железом, никелем и пр.

При изготовлении новых инструментов и деталей с твердосплавной наплавкой, в качестве заготовок (оснований) применяются детали из углеродистых или легированных сталей. В случае ремонта деталей с большим износом, перед наплавкой твердыми сплавами делают предварительную наплавку электродами из малоуглеродистой стали.

Для получения более качественной наплавки, предупреждения образования трещин и снижения напряжений, во многих случаях целесообразен подогрев заготовок до температуры 300°C и выше.

1.2 Наплавка в среде защитных газов , Рис 4. Наплавка в среде защитного газа

Наряду с наплавкой покрытыми электродами, можно осуществлять и наплавку в среде защитных газов — методом MIG/MAG (с автоматизированной подачей проволоки) или TIG (вольфрамовым электродом) с присадочными прутками. Для защиты можно применять различные газы: аргон, углекислый газ, гелий, азот — в зависимости от того, какой наплавляется металл.

При восстановлении наплавкой деталей из углеродистых сталей можно использовать более дешевый углекислый газ. Учитывая тот факт, что CO2 окисляет расплавленный металл, наплавочная проволока в этом случае должна иметь раскислители (марганец, кремний и пр.).

Наплавку меди и ее сплавов можно производить в азоте, который нейтрален по отношению к меди.

Высоколегированные стали, сплавы на магниевой и алюминиевой основе наплавляются в аргоне, гелии или их смеси.

Наплавку неплавящимся вольфрамовым электродом осуществляют в аргоне и гелии. Инертные газы, особенно, аргон, являются универсальными, подходящими для сварки и наплавки практически любого металла.

В качестве материалов для наплавки полуавтоматами углеродистых и низколегированных сталей применяются сварочные проволоки сплошного сечения (Св-08ГС, Св-08Г2С, Св-12ГС), и специальные наплавочные (Нп-40, Нп-50, Нп-30ХГСА).

Для наплавки нержавейки применяют проволоку из нержавеющей стали. Может осуществляться наплавка и порошковой проволокой, позволяющей получить наплавленный слой с особыми свойствами.

Таблица 5. Проволоки для наплавки и сварки деталей из цветных металлов газовым способом

Марка проволоки	Область применения
МО; Ml; М2	Наплавка поверхностей контактов электропневматических и электромагнитных контакторов, заварка трещин в медных контактодержателях, наплавка ножей разъединителей, литых сегментов
ЛК65-0.5	Наплавка изношенных поверхностей латунных ножей, заплавка выработки ножей подвижного и неподвижного контактов главного выключателя
Л060-1	Заварка разработанных отверстий в корпусах щеткодержателей, сварочные работы на деталях аппаратов из чугуна, заварка трещин в корпусе основания контроллера
Л62	Приварка концов дугогасительных катушек, заварка трещин а обрывов медных и стальных воздухоподводных трубок, заварка трещин, наплавка подгаров в кронштейнах электропневматических контакторов, дугогасительных рогах, приварка выводных клемм пуско-тормозных резисторов
ЛК80-ЗЛ	Наплавка сегментов аппаратов, заплавка подгаров и раковин на контактных поверхностях
АЛ2; АК	Заплавка дефектных мест алюминиевых деталей аппаратов и электрических машин
Св-АК5	Сварка и наплавка в среде аргона при ремонте алюминиевых деталей
БрОФЮ-1; БрОФЭ-0,25	Наплавка бортов моторно-осевых подшипников, заварка дефектов вкладышей
ОЗА-2	Сварка и наплавка деталей из алюминиевокремнистых сплавов АЛ-4; АЛ-5; АЛ-9: АЛ-11

При восстановлении деталей наплавкой методом MIG/MAG применяют как и в случае MMA постоянный ток обратной полярности, обеспечивающий меньшее проплавление основного металла. При использовании вольфрамового электрода (метод TIG) используют прямую полярность, исключающую оплавление вольфрамового электрода. Наплавку нужно стараться вести как можно более короткой дугой — во избежание разбрызгивания металла.

1.3 Лазерная наплавка

Лазерная наплавка — метод нанесения материала при помощи лазерного луча использующегося для плавления и перемешивания присадочного материала с поверхностью.

Рис 5. Принцип лазерной наплавки

Лазерная наплавка получила широкое распространение в промышленности. Наиболее известные применения это — восстановление повреждённых поверхностей различных деталей машин, пресс-форм и фильер. Второе применение это — модификация поверхностности. Присадочные материалы могут отличаться по химическому составу от основы и иметь другие свойства. Таким образом упрочняют износившиеся кромки штампов, наплавляя более твёрдый материал. Более новое применение это прототипирование деталей. Например, 3d принтер, печатающий металлическим порошком, по сути сплавляет между собой слои порошка.

Существуют две основные технологии наплавки лазером

1. Наплавка импульсным лазером

2. Наплавка непрерывным лазером

Импульсный лазер отличается большой пиковой мощностью, работа по наплавке идёт вручную, оператор наплавки подаёт присадочную проволоку в пятно воздействия лазерного луча, наблюдая процесс под микроскопом с увеличением 10-16 крат. В окуляре микроскопа находится перекрестие, по которому выставляется лазерный луч, поэтому оператор всегда знает куда попадёт следующий импульс. Используемые диаметры сфокусированного луча лазера варьируется в пределах от 0,2 — 2,5 мм, в зависимости от диаметра подаваемой присадки (d пятна должен быть в 1,5-2 раза больше диаметра присадки, для перемешивания присадки с наплавляемой поверхностью), что позволяет минимизировать объёмы расплава и соответственно уменьшить тепловложения в обрабатываемый материал. В зону наплавки, обычно, подаётся инертный газ. Восстановительная наплавка применяется для получения первоначальных размеров изношенных или поврежденных деталей. В этом случае наплавленный металл имеет хорошее сцепление с основой и в случае необходимости может быть применён сплав другого типа, например для увеличения износостойкости конкретного участка можно наплавить более твёрдый сплав, технология наплавки может отличаться, и в зависимости от материалов, для избежания растрескивания, применяют демпфирующие промежуточные слои, которые выбирают имеющиеся напряжения, не позволяя отваливаться наплавленному металлу. В основном процесс наплавки выполняется вручную с визуальным контролем через микроскоп с защитным затвором. Чаще всего используется для восстановления повреждённых деталей машин и прессформ. Поскольку процесс по сути является сваркой с присадкой наплавка идёт во время сварки некоторых деталей. Роботы наплавляющие присадочной проволокой распространения не получили в силу сложности контроля натяжения проволоки и уникальности дефектов которые нужно исправлять, что требует огромной работы программиста.

Непрерывный лазер наплавляет материал при помощи порошка подающегося в среде инертного газа, порошок разогревается лазером и прибивается к поверхности металла. Наплавку ведёт робот по заданной программе, при этом у метода высокая производительность (от десятков до сотен грамм в час), но метод существенно нагревает деталь и даёт большую пористость чем ручная наплавка на импульсном лазере.

пользоваться как порошки так и проволоки.

• дозируемая энергия;
• возможность локальной обработки поверхности;
• отсутствие термических поводок, минимизация зоны термического влияния;
• возможность обработки деталей больших габаритов с большим расходом наплавляемого вещества;
• быстрый нагрев и остывание наплавляемого материала;
• Возможность модификации поверхности;
• Высокая степень адгезии наплавляемого материала при небольшом перемешивании с основой.

  1.4 Плазменная наплавка, Рис 6.

Принцип плазменной наплавки

Плазменная наплавка (Plasma transfer Arc, PTA) является современным способом нанесения износостойких покрытий на рабочую поверхность при изготовлении и восстановлении изношенных деталей машин.

Плазменная наплавка широко применяется для защиты от высокотемпературного износа формокомплектов стекольной промышленности, для защиты от коррозии и износа деталей запорной и запорно-регулирующей арматуры, для упрочнения поверхности деталей, работающих при высоких нагрузках.

Плазмой называется высокотемпературный сильно ионизированный газ, состоящий из молекул, атомов, ионов, электронов, световых квантов и др. При дуговой ионизации газ пропускают через канал и создают дуговой разряд, тепловое влияние которого ионизирует газ, а электрическое поле создает направленную плазменную струю. Газ может ионизироваться также под действием электрического поля высокой частоты. Газ подается при давлении в 2 …3 атмосферы, возбуждается электрическая дуга силой 400 … 500 А и напряжением 120 … 160 В Ионизированный газ достигает температуры 10 … 18 тыс. С, а скорость потока — до 15000 м/сек. Плазменная струя образуется в специальных горелках — плазмотронах. Катодом является неплавящий вольфрамовый электрод.

В зависимости от компоновки различают:

1. Открытую плазменную струю (анодом является деталь или пруток).

В этом случае происходит повышенный нагрев детали. Используется эта схема для резки металла и для нанесения покрытий.

2. Закрытую плазменную струю (анодом является сопло или канал горелки).

Хотя температура сжатой дуги на 20 …30% в этом случае выше, но интенсивность потока ниже, т. к. увеличивается теплоотдача в окружающую среду. Схема используется для закалки, металлизации и напыления порошков.

3. Комбинированная схема (анод подключается к детали и к соплу горелки).

В этом случае горят две дуги. Схема используется при наплавке порошком.

Плазменную наплавку металла можно реализовать двумя способами:

1. Струя газа захватывает и подает порошок на поверхность детали;

2. В плазменную струю вводится присадочный материал в виде проволоки, прутка, ленты.

В качестве плазмообразующих газов можно использовать аргон, гелий, азот, кислород, пар, водород и воздух. Наилучшие результаты наплавки получаются с аргоном и гелием.

Достоинствами плазменной наплавки являются:

1. Высокая концентрация тепловой мощности и минимальная ширина зоны термического влияния.

2. Возможность получения толщины наплавляемого слоя от 0,1 мм до нескольких миллиметров.

3. Возможность наплавления различных износостойких материалов (медь, латунь, пластмасса) на стальную деталь.

4. Возможность выполнения плазменной закалки поверхности детали.

5. Относительно высокий КПД дуги (0.2 …0.45).

6. Малое (по сравнению с другими видами наплавки) перемешивание наплавляемого материала с основой, что позволяет достичь необходимых характеристик покрытий.

Поверхность детали необходимо готовить к наплавке более тщательно, чем при обычной электродуговой или газовой сварке, т. к. посторонние включения уменьшают прочность наплавленного слоя. Для этого производится механическая обработка поверхности (проточка, шлифование, пескоструйная обработка..), иногда обезжиривание. Мощность электрической дуги подбирают такой, чтобы сильно не нагревалась деталь, и чтобы основной металл был на грани расплавления.

Плазменно-порошковая наплавка

Плазменно-порошковая наплавка — это способ по восстановлению поверхности детали. По сути, это процесс, в котором источником тепла выступает плазменная дуга, а материалом выступает металлический порошок. Порошок подается в плазмотрон специальным транспортным газом, при помощи питателя. Такой способ наплавки обеспечивает высокую производительность при очень низком проплавлении основного слоя металла. Это позволяет добиться нужной твердости и химического состава металла наплавки в 0,3…0,5мм от места сплавления. Такие возможности обеспечиваются возможностями регулирования мощности плазменной дуги и силы подачи присадочного материала. Плазменно-порошковая наплавка дает возможность ограничиться одним слоем наплавки, вместо трех — четырех при электродуговом способе.

Область применения ППН имеет широчайший спектр. Чаще всего этот способ используют для восстановления ножей горячей резки металлов, деталей типа шестерней, клапанов двигателей, лопаток турбин, валов полиграфических машин, плунжерных насосов, прокатных станов. Плазменно-порошковая наплавка дает возможность восстанавливать бронзой конические и цилиндрические втулки, подпятники к дробилкам, коленчатые валы, ролики, головки блока, шаровые детали. При этом, после восстановления детали соответствуют всем стандартам качества и не уступают в надежности оригинальным новым запчастям.

ППН обеспечивает высокую работоспособность деталей за счет отличного качества наплавленного металла, его однородности, а также благоприятной структуры, определяемой специфическими условиями кристаллизации металла сварочной ванны.

Основные преимущества ППН:

высокая производительность (до 10 кг/ч);

• высокое качество наплавленного металла;

малая глубина проплавления основного металла (до 5%)

минимальные потери присадочного материала;

• возможность наплавки относительно тонких слоев (0,5-5,0 мм);

В наплавочных плазмотронах можно использовать три схемы ввода порошка в дугу:

распределенный через кольцевую щель между соплами (см.рис сверху);

• локальный боковой через канал в торце сопла;
• аксиальный через полый электрод.

Для ППН применяют порошки сталей и сплавов на основе Ni, Co, Fe и Cu. Производят порошки преимущественно методом распыления струи жидкого металла инертным газом, что обеспечивает им отличные сварочно-технологические свойства — хорошую сыпучесть, низкое содержание кислорода (0,02-0,10 %) и др.

1.5 Электрошлаковая наплавка, Рис 7. Принцип электрошлаковой наплавки

Электрошлаковая наплавка (ЭШН) — разновидность электрошлакового процесса; технология, основанная на нанесении расплавленного металла на рабочую поверхность изделия, при которой оплавление основного и расплавление присадочного металлов происходит за счет тепла, выделяющегося в шлаковой ванне при протекании через неё электрического тока. Ванна жидкого шлака, имея меньшую, чем у расплавленного металла, плотность, постоянно находится над поверхностью металлического расплава, защищая его от воздействия воздуха. Капли присадочного металла, проходя через шлак, подвергаются металлургической обработке и очищаются от вредных примесей. Направление конвекции шлака зависит от диаметра электрода: при наплавке тонким электродом преобладает вынужденная электромагнитная конвекция, шлак опускается у электрода и поднимается по краям шлаковой ванны, при использовании толстого электрода преобладает свободная тепловая конвекция, шлак опускается по краям шлаковой ванны и поднимается вблизи электрода. При электрошлаковой наплавке почти полностью отсутствуют потери на газообразование и разбрызгивание. Качество наплавленного металла высокое отсутствуют поры, трещины и другие дефекты.

Различают наплавку с принудительным (ЭШН в водоохлаждаемых кристаллизаторах и формирующих устройствах) и свободным (ЭШН лентами) формированием наплавляемого слоя. По начальной стадии электрошлакового процесса различают «твердый» старт (наведение шлаковой ванны происходит непосредственно в зоне наплавки) и «жидкий» старт (в полость кристаллизатора заливают заранее приготовленный шлак).

Сущность ЭШН с принудительным формированием наплавляемого слоя заключается в следующем. В шлаковую ванну, находящуюся в полости, образованной наплавляемой поверхностью и водоохлаждаемым кристаллизатором, подается электродный присадочный материал. Ток, проходя между электродом и наплавленным металлом через жидкий шлак, разогревает его до высокой температуры, достаточной для расплавления подаваемого присадочного материала (от 1650 до более, чем 2000 градусов цельсия) и оплавления поверхности изделия. Расплавленный металл опускается на дно шлаковой ванны и, кристаллизуясь, образует наплавленный слой.

В качестве присадочного материала используются один или несколько электродов из сплошных или порошковых проволок, ленты, пластинчатые электроды большого сечения, плавящиеся мундштуки и композиционные проволоки. При использовании неплавящихся (графитовых, вольфрамовых) электродов возможно применение электронейтральных некомпактных присадочных материалов: дроби, жидкого металла.

При ЭШН композитных покрытий в шлаковую ванну сыпят сверху гранулированный твёрдый сплав, температура плавления которого выше температуры плавления металла-связки, необходимость применения которого обусловлена недопустимостью вторичного расплавления некоторых твёрдых сплавов, из-за чего наплавка монопокрытий из таких материалов невозможна. Твёрдость и износостойкость обеспечивается частицами твёрдого сплава, а металл-связка держит их на поверхности детали.

1.6 Индукционная наплавка

Сущность индукционной наплавки заключается в следующем. Наплавляемую деталь помещают в электромагнитное поле индуктора, который питается переменным током высокой частоты (ТВЧ).

В массе металла детали или компактной присадки индуктируются вторичные переменные токи той же частоты, распределяющиеся в поверхностном слое металла и нагревающие этот слой. Чем выше частота тока, тем тоньше нагреваемый слой металла. Для стальных деталей преимущественный нагрев токами высокой частоты поверхностных слоев металла сохраняется вплоть до точки Кюри (768 °С).

После того, как металл нагреется выше точки Кюри, глубина проникновения индуктированных токов увеличивается в 10…20 раз (в зависимости от частоты), благодаря чему распределение температуры в нагреваемом металле становится более равномерным. Детали или компактные присадки нагревают до плавления металла и соединяют. Для предохранения от окисления и улучшения сплавления основного и наплавленного металлов применяют флюсы.

В наиболее распространенных способах индукционной наплавки в качестве присадочного материала применяют не компактные материалы, а шихту, состоящую из металлических порошков и флюсовых добавок.

Рис 8. Индукционная наплавка

Металлические гранулы изолированы друг от друга частицами флюса, вследствие чего электропроводность порошкового слоя и выделение в нем энергии малы. По этой причине нагрев и расплавление порошковой шихты идет в основном за счет теплопередачи от нагреваемого ТВЧ основного металла. Индукционный нагрев ТВЧ в настоящее время применяют при следующих способах наплавки:

• армировании расплавленного поверхностного слоя основного металла тугоплавкой и трудно-растворимой присадкой;

• заливке жидкого присадочного металла на подогретый основной металл;
• расплавлении брикетированного или монолитного материала на основном металле;
• погружении подогретой детали в форму-тигель с расплавленным сплавом;
• центробежной наплавке деталей цилиндрической формы;
• расплавлении порошковой шихты, нанесенной на наплавляемую поверхность детали.

Армирование расплавленного поверхностного слоя основного металла тугоплавкой и трудно-растворимой присадкой. При использовании этого способа в качестве присадки применяют зерновой релит (карбид вольфрама) или крупку измельченных металлокерамических сплавов. Присадку вместе с флюсом (борная кислота) наносят на наплавляемую поверхность детали. Затем деталь вводят в индуктор, в котором поверхностный слой разогревается до температуры плавления и оплавляется. Зерна присадочного материала при этом не расплавляются и погружаются в оплавленный поверхностный слой. Закрепление зерен релита в матрице происходит за счет их частичного растворения и смачивания расплавом.

Армированный поверхностный слой представляет собой литую стальную матрицу с вплавленными в нее зернами тугоплавкого компонента. Как показывают исследования, тугоплавкие частицы практически не изменяют при таком способе наплавки свою структуру и твердость.

Способ отличается простотой и обеспечивает высокие эксплуатационные свойства наплавленных деталей. Он нашел применение для упрочнения шарошек буровых долот.

Заливка жидкого присадочного металла на подогретый основной металл. Принципиальная схема процесса показана на рис. 1. Наплавляемую поверхность детали 1 покрывают слоем флюса и помещают в индуктор 2, поверхность которого защищена огнеупорным составом 3. После нагрева детали до нужной температуры напряжение отключают и снизу к индуктору подводят медное водоохлаждаемое кольцо 4. В образовавшуюся своеобразную форму из ковша заливают порции металла 5, расплавленного в индукционной печи или в другом плавильном агрегате. Метод наплавки жидким присадочным материалом достаточно широко используют для наплавки деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания: опорных катков тракторов, бил углеразмольных мельниц, пальцев ковшовых цепей экскаваторов и др.

Расплавление брикетированного или монолитного материала на основном металле. Метод можно проиллюстрировать на примере наплавки клапанов двигателей внутреннего сгорания (рис. 2).

Присадочным материалом в этом случае служит литое кольцо 3 из жаростойкого сплава, которое укладывают в выточку на опорной поверхности клапана 1. Нагрев и плавление сплава производят в кольцевом индукторе 2, охватывающем наплавляемый участок. Через индуктор подается защитный газ 5. Температура нагрева на 50… 100 °С превышает температуру плавления сплава. Существенной особенностью является то, что в конце процесса поверхность клапана, противоположная наплавляемой, обрызгивается водой из спрейера 4, что обеспечивает направленную кристаллизацию сплава и его повышенные эксплуатационные свойства.

Рис 9. Индукционная наплавка клапана двигателя внутреннего сгорания

Погружение подогретой детали в форму-тигель с расплавленным сплавом. По этому способу подогретую в индукторе деталь погружают в керамическую форму с расплавленным металлом. Керамическая форма повторяет контуры упрочняемой поверхности. Для раскисления расплава, предохранения его от угара легирующих элементов и улучшения сплавления с основным металлом на поверхности ванны может находиться жидкий шлак. Расплавление присадочного материала производится индуктором. В этом случае не имеет значения соотношение температур плавления основного и присадочного металлов. Способ нашел ограниченное применение, несмотря на внешнюю простоту.

Центробежная наплавка деталей цилиндрической формы. Наибольшее распространение этот способ получил при изготовлении различных биметаллических втулок. Известны два варианта этого способа наплавки (рис. 3), отличающиеся применяемым присадочным материалом. Можно использовать присадочный материал в твердом состоянии в виде металлических порошков, стружки и др. В этом случае плавление присадки идет за счет теплопередачи от нагреваемого ТВЧ основного металла. По второму варианту присадочный металл плавят в отдельной емкости и заливают в расплавленном состоянии внутрь вращающегося наплавляемого цилиндра.

Особенностью является формирование наплавленного металла под действием центробежных сил, которые, с одной стороны, способствуют более равномерному распределению расплава на основном металле и удалению вредных примесей, а с другой — усугубляют ликвационные явления. Поэтому при наплавке сильно ликвирующих сплавов необходимо применять специальные технологические меры: регламентировать количество заливаемого металла, температуру и продолжительность нагрева, число оборотов центробежной машины, скорость охлаждения металла и др. Примерами реализации этого способа является центробежная наплавка гильз автомобильных двигателей, гильз гидроцилиндров и червячных машин.

Рис 10. Принципиальные схемы центробежной наплавки с использованием: а) твердого б)жидкого присадочного материала 1-шпиндель центробежной машины 2-наплавляемая деталь 3-индуктор 4-прокладка 5-крышка 6-шихта 7-керамический желоб 8-расплавленный металл 9-тигель 10-индуктор плавильного агрегата

Расплавление порошковой шихты, нанесенной на наплавляемую поверхность детали. Способ основан на использовании ТВЧ для нагрева основного металла и расплавления расположенной на нем порошковой шихты. Он нашел наибольшее распространение в промышленности. В массовом производстве освоена индукционная наплавка этим способом лемехов плугов, лап культиваторов, ножей-ботворезов, рештаков угольных конвейеров и других деталей (рис. 4).

Производительность наплавки достигает 10 кг/ч. Возможно получение наплавленных слоев толщиной 0,4 мм и более.

Рис 11. Схема индукционной наплавки лемеха: 1-дозатор шихты 2-порошковая шихта на лезвии лемеха 3-индуктор 4-наплавленный лемех

Шихту — смесь порошка сормайта с флюсом (бурой, борным ангидридом, силикокальцием, фтористым кальцием и др.) — наносят на наплавляемую поверхность и с помощью специального приспособления вводят в индуктор. Конструкция индуктора и расположение в нем детали зависят от конфигурации упрочняемого участка. Источником питания, как правило, служат ламповые высокочастотные генераторы с частотой 70 кГц. При включении индуктора в поверхностных слоях основного металла индуктируются токи, и наружный слой металла быстро разогревается. Слой порошковой шихты слабо реагирует на воздействие переменного электромагнитного поля, и шихта нагревается в основном за счет теплопередачи от основного металла. По этой причине температура плавления шихты должна быть ниже температуры плавления основного металла. Флюс, входящий в состав шихты, плавится, растворяет оксиды, обеспечивает хорошее смачивание наплавляемой поверхности и растекание по ней износостойкого сплава. При наплавке этим способом никакой специальной подготовки поверхности изделия не требуется. Можно наплавлять поверхности как механически обработанные, так и покрытые слоем оксидов после металлургического передела (прокатки).

Наплавочные материалы. При использовании метода армирования расплавленного поверхностного слоя основного металла тугоплавкой и трудно-растворимой присадкой в качестве последней, как правило, используют зерновой релит — эвтектическую смесь карбидов вольфрама WC и W9C. Можно также использовать дробленую крупку твердых сплавов типа ВК или ТК (карбиды вольфрама и титана с кобальтовой связкой).

Для индукционной наплавки клапанов применяли литые кольца из сплава на основе никеля ЭП616 (мас. доля, %: С — 1,2; Si — 3,0; Mn — 0,4; Cr — 17,0; Ti — 0,2; Аl — 0,6; Fe — 3,0; В — 1,5; Cu — 0,25; Ni — остальное).

Для индукционной наплавки рабочих органов сельскохозяйственных, дорожных и строительных машин используют порошки сплавов и наплавочные смеси на основе железа (таблица).

Порошковая шихта для индукционной наплавки представляет собой смесь металлических порошков с флюсом. В шихте содержится 82…85 % (по массе) металлического порошка, остальное — флюс.

Для индукционной наплавки наиболее широко применяют флюсы, представляющие смесь буры и борного ангидрида (борной кислоты).

Точной дозировки флюсы для индукционной наплавки, как правило, не имеют, однако, например, лучшая растекаемость расплава флюса обеспечивается при содержании в смеси 40 % буры и 60 % борного ангидрида. Для улучшения раскисления во флюс вводят до 10 % силикокальция, а для улучшения отделимости шлаковой корки — до 40 % сварочного флюса АН-348, соответственно уменьшая содержание буры и борного ангидрида.

2. Восстановление деталей гальваническим способом

2.1 Общие сведения

Металлические (гальванические) покрытия — пленки химически чистых металлов, нанесенные на поверхность металлических деталей способом электрохимического осаждения из растворов электролитов. Гальванические покрытия являются перспективным способом восстановления деталей благодаря простоте и доступности оборудования. Они могут быть использованы практически во всех звеньях ремонтной сети — от мастерских общего назначения до специализированных цехов ремонтных заводов. Однако следует отметить, что повышение эффективности гальванических процессов при восстановлении деталей, их широкое распространение возможно главным образом за счет механизации и автоматизации.

Металлические покрытия получают в установках, называемых гальваническими ваннами — представляет собой резервуар, заполненный электролитом. Над ванной устанавливают три латунных штанги, к каждой из которых от внешнего источника тока подается постоянный ток: к средней — минус (катодная штанга), к двум боковым — плюс (анодные штанги).

Для получения металлических покрытий детали на специальных подвесках или приспособлениях подвешивают на катодную штангу. На анодные штанги на токопроводящих крюках подвешивают пластины (аноды) того металла, который должен осадиться на детали в виде покрытия.

Рис. 12 Схема электролитического осаждения металла: 1 — ванна; 2 — анодная штанга; 3 — подвеска для анодных пластин; 4 — катодная штанга; 5 — подвеска для детали; 6 — анод; 7 — деталь (катод)

По назначению делятся на:

• защитные,
• защитно-декоративные;
• специальные,

-применяемые в связи с особыми требованиями к изделию (высокая твердость и способность противостоять трению, повышенная электропроводимость).

По числу наносимых слоев:

• однослойные
• многослойные.

Количество осажденного вещества на катоде, согласно закону Фарадея, можно определить по формуле:

G=cIt

где G — теоретически возможное количество осажденного металла, г;

• с — электрохимический эквивалент, г/А*ч;
• I — сила тока, A;
• t — продолжительность электролиза, ч.

В связи с тем, что на катоде, кроме металла, выделяется водород и протекают другие процессы, количество фактически осажденного металла меньше теоретически возможного. Отношение количества фактически осажденного металла к теоретически возможному называют выходом металла по току или к.п.д. процесса (ванны).

Толщину осажденного слоя металла определяют по формуле:

b=с*Dk*tn/100y

где Dk — плотность тока, А/дм2; n — выход металла по току; у — плотность осажденного металла, г/см3.

При заданной толщине слоя металла по формуле можно определить продолжительность процесса., Восстановление деталей электролитическими покрытиями имеет ряд преимуществ перед наплавкой:

• простота оборудования;
• в металле детали не происходят структурные изменения;
• возможность одновременно восстанавливать несколько деталей.
• Процесс позволяет восстанавливать детали с малыми износами и получать износостойкие покрытия.

Недостаток процесса:

— Большая трудоемкость, что ограничивает его применение при восстановлении деталей с большими износами.

• Сложность процесса
• не равномерное осаждение

2.2 Гальванические методы восстановления и цели их применения, Таблица 6

Метод восстановления	Цель применения
Цинкование	Образование антикоррозионного покрытия (стальные детали электрических машин и аппаратов и детали креплений), восстановление натяга подшипников
Меднение	Наращивание изношенного слоя, подслоя при никелировании, в многослойном покрытии медь — никель — хром, повышение электропроводности, придание поверхности деталей притирочных свойств с целью уменьшения зазоров, шума и т, д. Возможно осаждение сплавов меди
Никелирование	Декоративная отделка, образование антикоррозионного многослойного покрытия медь —никель для декоративного хромирования
Железнение	Наращивание изношенного слоя, восстановление посадки, создание подслоя (при восстановлении деталей с большим износом), восстановление деталей с последующей
Хромирование	термообработкой Образование твердого и износостойкого покрытия, наращивание изношенного слоя

Хромирование. Электролитические покрытия хромом обладают высокой твердостью и износостойкостью. Поэтому хромированием восстанавливают износостойкие поверхности с небольшими износами (плунжерные пары, золотники распределителей, поршневые пальцы и др.).

Аноды изготовляют из свинца или сплава свинца и сурьмы. Отношение площади анодов к площади катодов принимают от 1:1 до 2:1. В процессе хромирования аноды не растворяются. Хромируемую деталь подвешивают к катоду. В качестве электролита используют раствор хромового ангидрида в воде с добавлением серной кислоты. Наибольший выход по току при соотношении хромового ангидрида и серной кислоты 100:1. Концентрация хромового ангидрида в электролитах — от 150 до 350 г/л. Плотность тока — от 15 до 80 А/дм2, напряжение — 12-15 В, температура электролита — 40—65°С.

Хромирование выполняют в ваннах, облицованных свинцом, винипластом или другим кислотостойким материалом. Стенки ванны делают двойными. Пространство между ними заполняют водой или маслом, которые являются теплоносителем для подогрева электролита в ванне. Конструкция ванны должна предусматривать вытяжку для удаления продуктов испарения и газов, выделяющихся при электролизе. В качестве источников питания постоянного тока применяются выпрямители ВАКГ-12/6-300, ВАКГ-12/600М с напряжением 12 В, низковольтные генераторы АНД 500/250 и др. Для интенсификации процесса электролиза применяют реверсивный постоянный ток (полярность меняется по определенной программе).

Качество гальванического покрытия во многом зависит от подготовки поверхности и режима процесса. Подготовка деталей «гальваническому покрытию включает: очистку деталей; механическую обработку дяя придания правильной формы поверхностям; предварительное обезжиривание растворителями; изоляцию мест, не подлежащих покрытию, перхлорвиниловой лентой, эмалью ПХВ-715 и др. После этого деталь монтируют на подвески и проводят обезжиривание мест восстановления. Обезжиривание может проводиться химическим, электрохимическим и ультразвуковым способами.

Химическое обезжиривание проводят путем погружения деталей в горячий (60 «С) щелочной раствор и выдержки в нем от 5 до 60 мин.

Электрохимическое обезжиривание заключается в погружении деталей в щелочной раствор, через который пропускают ток. Детали служат катодом, а пластины из малоуглеродистой стали — анодом. Обезжиривание проводят при плотности тока 5-15 А/дм2, температуре электролита 60-70 «С в течение 2-3 мин на катоде и 1-2 мин на аноде. После обезжиривания промывают в воде. Чтобы получить прочное сцепление покрытий с основным металлом, необходимо провести активацию наращиваемых поверхностей (удалить пленку оксидов).

Растворение оксидов проводят химическим или электрохимическим травлением. Черные металлы травят в водном растворе серной или соляной кислот. Электрохимическое травление поверхностей проводят в ванне при пропускании тока через деталь и раствор. Наиболее распространено анодное травление в ванне для электролиза (детали устанавливают на анодные штанги).

Для получения качественных хромовых покрытий необходимо соблюдать соотношение между плотностью тока и температурой электролита. Изменяя температуру электролита и плотность тока (без изменения состава электролита), можно получить три вида осадков хрома: блестящий (твердость — до НВ 900, высокая износостойкость и хрупкость), молочный (твердость — НВ 500-600, достаточная износостойкость и пластичность), матовый (наиболее твердый и хрупкий).

Повышенная хрупкость матового осадка снижает его износостойкость, поэтому этот вид осадка при восстановлении деталей не используется. Блестящие осадки используют в декоративных целях.

Среднее значение выхода по току при хромировании составляет 13-15%, а скорость осаждения хрома — 0,03-0,06 мм/ч.

По причине плохой смачиваемости поверхности хромового покрытия снижается износостойкость деталей. Поэтому при восстановлении деталей, работающих в условиях повышенного удельного давления, высокой температуры и недостатка смазки (поршневые кольца, гильзы цилиндров и др.), применяют пористое хромирование. Пористость поверхности получают механическим, химическим или электрохимическим способами.

При химическом способе пористость на покрытии получают травлением в соляной или серной кислоте. При механическом способе на поверхности детали до хромирования наносят углубления резцом, накаткой или пескоструйной обработкой. В процессе хромирования подготовленный рельеф поверхности сохраняется. При электрохимическом способе детали подвергают анодной обработке в течение 8-12 мин в электролите того же состава, как и при хромировании.

Железнение.

Железнением восстанавливают стальные и чугунные детали (посадочные места под подшипники, отверстия в головках шатуна и др.) с износом, достигающим 1 мм и более. При восстановлении деталей железнение применяют более широко, чем хромирование. В отличие от хромирования при железнении применяют растворимые аноды из малоуглеродистой стали. Их площадь должна быть в два раза больше покрываемой поверхности (катода).

Выход по току при железнении — 85-95%, скорость осаждения металла — 0,2-0,5 мм/ч, твердость осадка НВ 700. Себестоимость восстановления деталей железнением составляет 30-50% от стоимости новых деталей.

Электролиты, применяемые при железнении, делят на три группы: хлористые, сернокислые и смешанные (сульфатно-хлористые).

Наиболее распространены хлористые электролиты, которые дают лучшее качество покрытий. По температурному режиму электролиты делятся на горячие (60-90 °С) и холодные (18-20 °С).

Горячие электролиты неудобны в эксплуатации, так как требуют дополнительных расходов на подогрев и контроль температуры, но они дают лучшее покрытие.

Из горячих электролитов применяют электролит, состоящий из 200—500 г/л хлористого железа, 100 г/л хлористого натрия, кислотность (рН) — 08—1,2. Режим железнения: плотность тока — 10-50 А/дм2, температура 70-80 °С.

Из холодных электролитов чаще применяют электролит, состоящий из 400-600 г/л хлористого железа, 0,5-2,0 г/л аскорбиновой кислоты, кислотность (рН) — 0,5-1,3. Режим железнения: плотность тока — 10-40 А/дм2, температура — 20-50 °С.

Подготовка поверхности детали к железнению в основном такая же, как и для хромирования. Ванны для железнения аналогичны ваннам, применяемым при хромировании. При железнении в горячем электролите внутреннюю поверхность ванны облицовывают кислотоупорным материалом (эбонитом, винипластом и т. п.).

Электролитическое осаждение железа можно вести и вневанным способом. Он позволяет восстанавливать отдельные изношенные отверстия в крупногабаритных деталях (блоки цилиндров, корпуса коробок передач задних мостов и т. д.).

Кроме того, вневанное железнение позволяет повысить производительность процесса за счет циркуляции электролита и увеличения плотности тока до 300 А/дм2.

Различают три способа вневанного осаждения железа: струйное, проточное и электроконтактное. При проточном железнении изношенные отверстия превращают в местную ванночку, через которую циркулирует электролит. Электроконтактное железнение часто называют электронатиранием, так как электроосаждение металла происходит при прохождении постоянного тока в зоне контакта детали с анодом (тампоном из фетра, войлока, непрерывно смачиваемым электролитом).

Цинкование

Применяются в ремонтном производстве для защиты от коррозии крепежных деталей и восстановления посадочных поверхностей малонагруженных деталей.

Для этого используют следующие электролиты: кислые (№ 1), щелочные (№ 2 и 3), цинкатные (№ 2), аммиакатны.е (№ 3), Чтобы увеличить плотность тока и производительность процесса, их нужно перемешать.

Кислые электролиты обладают плохой рассеивающей способностью, а покрытия, полученные в них — меньшей коррозионной стойкостью, чем в щелочных. В то же время они устойчивы, допускают применение высокой плотности тока при выходе цинка по току, близком к 100%. Ими покрывают простые малорельефные изделия. Щелочные цинкатные (№ 2), аммиакатные (№ 3) и другие электролиты просты по составу и дешевы, имеют высокую электропроводность и хорошую рассеивающую способность.

Основной недостаток, аммиакатных электролитов — наличие в сточной воде солей аммония, которые затрудняют ее нейтрализацию и недопустимы по требованиям санитарии (допускается не более 2,5 мг/л).