Как работает наплавка

Чтобы понять, как работает наплавка, достаточно одного определения: это нанесение посредством сварки плавлением слоя металла на поверхность изделия. Источник нагрева расплавляет присадочный материал и тонкий поверхностный слой детали, они образуют общую ванну, после кристаллизации которой на основе формируется прочно сцеплённый наплавленный слой с нужными свойствами.

Наплавку применяют для двух задач: восстановить изношенные до недопустимых размеров поверхности и упрочнить рабочие зоны деталей, повысив их стойкость к износу, удару и коррозии. Ниже разобраны принцип процесса, классификация и основные способы, наплавочные материалы по действующим стандартам, понятие доли основного металла, типовой порядок работ и область применения.

Что такое наплавка и как она работает

Наплавка относится к процессам сварки плавлением. Концентрированный источник тепла — электрическая дуга, плазма, шлаковая ванна, газовое пламя, луч — расплавляет присадочный материал (электрод, проволоку, ленту, порошок, пруток) и одновременно оплавляет поверхность основного металла. Капли присадочного металла и расплавленный поверхностный слой сливаются в общую сварочную ванну; при её кристаллизации образуется металлическая связь между наплавленным слоем и деталью.

Сцепление наплавленного слоя с деталью — металлургическое, через общую сварочную ванну, а не механическое: слой становится частью детали.

В отличие от напыления, где покрытие удерживается преимущественно за счёт сцепления с шероховатой поверхностью, при наплавке происходит взаимное расплавление и перемешивание присадочного и основного металла. Это обеспечивает высокую прочность соединения и возможность нанесения слоёв значительной толщины, но требует контроля проплавления основы и тепловложения, чтобы ограничить деформации и разбавление наплавляемого металла.

Восстановительная и упрочняющая наплавка

По назначению различают восстановительную и изготовительную (упрочняющую) наплавку. В первом случае наращивают металл на изношенные поверхности, возвращая детали номинальные размеры; во втором — формируют рабочий слой с особыми свойствами уже при изготовлении или ремонте.

Требования к наплавке во многом общие: минимальное проплавление основного металла, минимальные остаточные напряжения и деформации, ограниченные припуски на последующую механическую обработку. Их выполнение зависит от выбранного способа и режима.

Классификация способов наплавки

Наплавка — разновидность сварки, поэтому её способы классифицируют по тем же признакам, что и сварку: физическим, техническим и технологическим. Основой служит классификация по физическому признаку — используемому источнику нагрева.

По техническим и технологическим признакам наплавку дополнительно делят на ручную, механизированную и автоматическую; по характеру защиты зоны — под флюсом, в защитном газе, самозащитную; по виду присадочного материала — электродами, сплошной или порошковой проволокой, лентой, порошком. В промышленности преобладают термические дуговые способы.

Основные способы наплавки

Ниже — наиболее распространённые в ремонте и производстве дуговые и родственные способы. Выбор определяется требуемым составом слоя, его толщиной, формой и размером детали, допустимым тепловложением и производительностью.

Чем выше проплавление основы, тем сильнее наплавленный металл разбавляется основным и тем больше отклонение состава первого слоя от состава присадочного материала. Поэтому для износостойких покрытий выбирают способы и режимы с минимальным проплавлением либо наносят несколько слоёв.

Наплавочные материалы и их обозначения

Свойства наплавленного слоя задаёт присадочный материал. Его выбирают по условиям работы поверхности (абразивный износ, удары, трение металл по металлу, коррозия, высокая температура) и по совместимости с основным металлом. Основные группы и действующие стандарты сведены в таблицу.

В обозначении стальной наплавочной проволоки и наплавочных электродов цифры после индекса показывают среднюю массовую долю углерода в сотых долях процента, а буквы — легирующие элементы (Х — хром, Г — марганец, Н — никель, М — молибден, В — вольфрам, С — кремний, Ф — ванадий, Т — титан и другие). Стандарты на проволоку и электроды дополнительно нормируют твёрдость наплавленного металла и связывают её с областью применения. Помимо проволоки, электродов и порошков, в качестве присадочного материала используют присадочные прутки и порошковые наплавочные ленты.

Доля основного металла и качество слоя

Ключевая характеристика наплавки — доля участия основного металла в наплавленном слое. При образовании общей ванны часть расплавленного основного металла перемешивается с присадочным и изменяет состав слоя. Эту долю оценивают по площадям поперечного сечения.

Чем больше доля основного металла, тем сильнее «разбавляется» наплавленный слой и тем дальше его состав и свойства от паспортных характеристик присадочного материала. Снизить долю основного металла позволяют уменьшение проплавления, рациональный режим и многослойная наплавка: верхние слои практически не контактируют с основой и имеют состав, близкий к присадочному.

Порядок выполнения наплавки

Типовой технологический процесс наплавки независимо от способа включает последовательность операций — от подготовки детали до контроля качества.

1. Дефектация и подготовка. Оценка износа и дефектов, очистка от загрязнений, оксидов и масла, при необходимости — механическая обработка под наплавку.
2. Выбор материала и способа. Подбор присадочного материала и способа наплавки под условия работы поверхности и геометрию детали; назначение режима.
3. Наплавка. Нанесение слоя с контролем тепловложения; при необходимости — подогрев детали для снижения напряжений и предупреждения трещин.
4. Термическая обработка. Снятие остаточных напряжений и получение требуемой структуры и твёрдости слоя (когда предусмотрено технологией).
5. Механическая обработка. Доведение наплавленной поверхности до окончательных размеров и шероховатости.
6. Контроль качества. Проверка геометрии, твёрдости и сплошности слоя; контроль отсутствия трещин, пор, непроваров, подрезов и отслоений (визуальный, измерительный и, при необходимости, капиллярный контроль).

Где применяется и как выбрать способ

Наплавку широко используют в ремонте и в производстве: восстанавливают валы, оси, шейки, шестерни, направляющие, элементы ходовой части, упрочняют рабочие кромки и поверхности, подверженные износу. Она продлевает срок службы деталей и позволяет получать поверхности со свойствами, которых нет у основного металла.

1. Условия работы поверхности. Определите доминирующий вид изнашивания (абразив, удар, трение, коррозия, нагрев) — он задаёт класс присадочного материала.
2. Геометрия и размер детали. Под тела вращения и большие площади — механизированные способы; под мелкие и сложные поверхности — ручная или плазменная наплавка.
3. Требуемая толщина и точность слоя. Тонкие аккуратные слои — плазменная; толстые и объёмные — под флюсом, электрошлаковая.
4. Допустимое тепловложение. Для деталей, чувствительных к короблению, выбирают способы с меньшим проплавлением и нагревом.
5. Материал и стандарт. Согласуйте присадочный материал и его обозначение с действующим стандартом и требованиями к твёрдости слоя.