СПОСОБ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОЙ НАПЛАВКИ ПЛОСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
ELECTROSLAG HARD-FACING OF FLAT SURFACES

Изобретение относится к наплавке и специальной электрометаллургии и может быть использовано для ремонта изношенных и изготовления наплавкой плоских поверхностей деталей машин и инструментов.
Известен способ горизонтальной электрошлаковой наплавки (см. Степанов, Б.В. Высокопроизводительные методы наплавки / Б.В.Степанов. - М.: Машиностроение, 1977. - 77 с.), при котором образование шлаковой ванны и плавление электродных материалов происходит в замкнутом объеме водоохлаждаемого кокиля-кристаллизатора. Способ обеспечивает получение слоя металла определенной толщины и позволяет улучшить условия кристаллизации наплавленного металла за счет одновременного деформирования и охлаждения поверхности выходящего из валка-кристаллизатора наплавленного металла.
Недостатком способа является то, что интенсивное охлаждение валком-кристаллизатором зоны формирования наплавленного металла затрудняет наплавку тонких слоев (порядка 2-4 мм) и может приводить к несплавлению основного и наплавленного металла.
Известен способ электрошлаковой наплавки в токоподводящем кристаллизаторе (см. патент РФ, №2139155, В23К 25/00, опубл. 10.10.99 г.). В способе образуют кольцевую шлаковую ванну в объеме, ограниченном наплавляемой поверхностью прокатного валка и секционным кристаллизатором, содержащим токоподводящую и формовочную секции. После перекрытия поверхностью шлаковой ванны токоподводящей секции и началом вращения шлака с заданной скоростью в шлаковую ванну подают некомпактный присадочный материал. Наплавку осуществляют при перемещении кристаллизатора относительно вертикально установленного валка. При этом температуру поверхности кристаллизатора поддерживают выше температуры резкого повышения вязкости используемого шлака, а нижний уровень шлаковой ванны поддерживают на расстоянии не более толщины наплавляемого слоя от нижнего края токоподводящей секции.
По такой схеме можно осуществлять наплавку плоских поверхностей, если секционный кристаллизатор перемещать относительно плоского изделия в горизонтальном положении. В рассматриваемом способе единственным источником нагрева и поддержания шлаковой ванны в расплавленном и перегретом состоянии является токоподводящая секция кристаллизатора. В этом случае образующаяся при плавлении присадочного материала ванна расплавленного металла недостаточно перегрета и при перемещении кристаллизатора металл, имеющий низкую жидкотекучесть, формируется неудовлетворительно. Увеличить тепловую мощность в рассматриваемом способе можно, если существенно повысить сварочный ток с токоподводящей секции, что приведет к нарушению устойчивости электрошлакового процесса.
Наиболее близким к изобретению является способ электрошлаковой наплавки слоев металла на горизонтальные поверхности (см. патент РФ, №2093329, В23К 25/00, опубл. 20.10.97 г.). В нем шлаковую ванну наводят в объеме, ограниченном наплавляемой поверхностью и водоохлаждаемым кокилем-кристаллизатором, подают в шлак электродный материал, а затем перемещают кристаллизатор относительно наплавляемой поверхности. Образовавшуюся при плавлении в шлаке присадочного материала ванну расплавленного металла дополнительно подогревают вихревыми токами. За счет такого теплового воздействия время нахождения расплавленного металла в перегретом состоянии увеличивается, что сохраняет жидкотекучесть металла до его поступления в зазор между наплавляемой поверхностью и охладителем. В этой области начинается кристаллизация металла с формированием слоя с заданными толщиной и глубиной проплавления основного металла.
Недостатком рассматриваемого способа является трудность осуществления старта электрошлакового процесса, так как шлак имеет незначительную магнитную проницаемость и в нем не индуцируется ток. Поэтому после полного расплавления флюса в кристаллизаторе образовавшийся шлак, поступая в зазор между наплавляемой поверхностью и индуктором, будет находиться в метастабильном состоянии (фазовый переход 1-го рода) с последующим образованием шлаковой корки, что препятствует соприкосновению расплавленного металла с поверхностью изделия и в конечном итоге обусловливает неудовлетворительное его формирование.
В случае необходимости увеличения ширины наплавляемого слоя металла следует увеличивать объем шлаковой ванны до известных пределов. Для поддержания шлаковой ванны в расплавленном и перегретом состоянии в этом способе вводимой в шлак тепловой мощности от электродной проволоки недостаточно. Из-за локального перегрева шлака в объеме, окружающем электрод, температура в шлаковой ванне распределена неравномерно, что обусловливает различную величину проплавления основного металла. При этом для поддержания в перегретом состоянии возросшего объема ванны расплавленного металла необходимо значительно увеличить мощность индуктора, что повышает энергозатратность процесса.
Также расположение охладителя над поверхностью наплавляемого кристаллизующегося металла обусловливает форму фронта кристаллизации, при которой удаление из металла ликвирующих вредных примесей затруднено, что снижает его эксплуатационные свойства.
Технический результат заключается в улучшении качества формирования металла, наплавляемого на горизонтальную поверхность на начальной стадии процесса, и в повышении качества наплавленного металла за счет образования в шлаке у поверхности ванны расплавленного металла области наибольшего тепловыделения, а также повышения эффективности использования тепловой мощности шлаковой ванны.
э
э
Технический результат достигается тем, что в способе электрошлаковой наплавки горизонтальных поверхностей, включающем наведение шлаковой ванны в объеме, ограниченном наплавляемой поверхностью и водоохлаждаемым кристаллизатором, подачу присадочного материала в шлак с образованием ванны расплавленного металла, нагрев ванны расплавленного металла, перемещение кристаллизатора относительно наплавляемой поверхности и охлаждение наплавленного металла, электрошлаковую наплавку осуществляют за счет образования в шлаке области наибольшего тепловыделения в зоне формирования наплавляемого металла, при этом по периметру полости кристаллизатора через электроизолирующий слой размещают токоподводящий элемент, образующий с кристаллизатором общую осесимметричную полость, в которую заливают шлак до уровня его поверхности выше нижнего торца токоподводящего элемента на величину (0,5…0,7) Н, где Н - высота токоподводящего элемента, мм, затем в полости коаксиально ей располагают два полых неплавящихся электрода на расстоянии между их центрами, равном l=(1,8…2,6) d, где l - расстояние между центрами полых электродов, мм, d - наружный диаметр полого электрода, мм, после чего электроды погружают в шлаковую ванну с образованием циркуляционного потока шлака, далее подают через полость каждого неплавящегося электрода в шлак присадочный материал, причем полые электроды подключены к независимому источнику тока, а расплавленный металл охлаждают за счет теплоотвода, направленного к обратной стороне наплавляемой поверхности.
Повышение эффективности использования тепловой мощности шлаковой ванны заключается в образовании в шлаке области наибольшего тепловыделения, близко расположенной к поверхности ванны расплавленного металла, характеризующейся наибольшей интенсивностью нагрева расплавленного металла (фиг.1). Тепловая мощность, необходимая для поддержания электрошлакового процесса и расплавления подаваемого в шлак присадочного материала, обеспечивается за счет прохождения тока в шлаковой ванне от неплавящихся электродов.
Для создания в шлаке близко расположенной к поверхности ванны расплавленного металла области наибольшего тепловыделения по периметру кристаллизатора через электроизолирующий слой размещают токоподводящий элемент таким образом, чтобы расстояние от его нижнего торца до поверхности ванны расплавленного металла обеспечивало бы гарантированное проплавление изделия и исключало бы замыкание расплавленного металла на токоподводящий элемент. Для исключения шунтирования тока участок кристаллизатора, находящийся под токоподводящим элементом, выполняют из огнеупорного материала. В этом случае ток с токоподводящего элемента проходит через шлак непосредственно на ванну расплавленного металла. При этом плотность линий тока в шлаке у поверхности ванны расплавленного металла существенно повышается, что способствует увеличению тепловложения в расплавленный металл.
Образование в шлаке области наибольшего тепловыделения, близко расположенной к поверхности ванны расплавленного металла, позволяет его перегреть и повысить таким образом жидкотекучесть расплава в зоне формирования наплавляемого металла. Поступающий в формирующую полость кристаллизатора расплавленный металл значительно переохлаждается вследствие направленного теплоотвода к поверхности охладителя, находящегося под полостью с обратной стороны наплавляемого изделия. В этом случае создаются условия для направленной кристаллизации расплава с углом между векторами линейной скорости кристаллизации металла и скоростью перемещения теплового источника, близким к 90°. Это обусловливает преобладание плоского фронта кристаллизации и близкое к вертикальному направленное расположение равноосных кристаллитов, что приводит к вытеснению легкоплавких эвтектик, являющихся вредными примесями, из зоны сплавления в верхние слои кристаллизующегося металла, что снижает вероятность образования кристаллизационных трещин.
Расположение уровня поверхности шлаковой ванны в пределах (0,5…0,7)H обусловливает необходимый для осуществления электрошлакового процесса объем шлаковой ванны. За границами приведенного интервала нарушается устойчивость ЭШН, что в случае превышения его верхней границы объясняется большими энергозатратами для поддержания шлака в перегретом и расплавленном состоянии, что нерационально, а при величине менее 0,5Н - объем шлаковой ванны недостаточен для осуществления устойчивого ЭШН в связи с перегревом и выплесками шлака.
Для создания равномерно распределенного теплового поля в шлаковой ванне электроды в шлаке располагают коаксиально полости кристаллизатора на расстоянии между их центрами, равном l=(1,8…2,6)d (фиг.2). Такое расстояние соответствует расположению изотерм с максимальными температурами в центральной части шлаковой ванны и изотерм с температурой, исключающей резкое снижения вязкости шлака по периметру полости кристаллизатора, что обусловливает форму ее поперечного сечения (фиг.3). В результате взаимодействия электромагнитных полей в шлаке, вызванных прохождением тока в электродах, возникает результирующая электромагнитная сила, обеспечивающая циркуляцию шлака. При значениях расстояния между неплавящимися электродами l<1,8 d происходит локальный перегрев шлака, а температура в остальном его объеме снижается и становится ниже необходимой для поддержания электрошлакового процесса. С превышением значения l>2,6 d температура в центральной части шлаковой ванны снижается, а в ее периферийной части повышается, что приводит к нарушению электрошлакового процесса.
Использование одного полого неплавящегося электрода нецелесообразно, так как распределить тепловую мощность, выделившуюся в области погружения электрода, по объему шлаковой ванны затруднительно. Введение в шлаковую ванну более двух неплавящихся электродов приводит к увеличению размеров полости в кристаллизаторе и соответственно увеличению ширины наплавляемого слоя металла. Но это обусловливает существенное изменение электромагнитных потоков в расплавах шлака и металла, что приводит к ухудшению формирования наплавленного металла.
На основании изучения на физической модели электрофизических процессов ЭШН в кристаллизаторе установлено, что при равном соотношении токов с токоподводящего элемента и электродов взаимодействие токов в электролитической ванне приводит к возникновению двух противоположно направленных торообразных потоков. Можно считать, что интенсивность гидродинамических потоков шлака в центральной части шлаковой ванны и у токоподводящего элемента примерно одинакова, что позволяет равномерно распределить их давление по поверхности ванны расплавленного металла и получить небольшое проплавление основного металла.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 изображена схема электрошлаковой наплавки горизонтальных плоскостей.
На фиг.2 изображена схема расположения неплавящихся электродов в полости кристаллизатора.
На фиг.3 изображено распределение температур в поперечном сечении шлаковой ванны.
э
э
Способ реализуется следующим образом. Предварительно по периметру полости кристаллизатора 1 через электроизолирующий слой 2 размещают токоподводящий элемент 3, образующий с кристаллизатором общую осесимметричную полость. На наплавляемую поверхность изделия 4 в формирующей полости 5 для выхода слоя наплавленного металла 6 устанавливают пластину 7 для осуществления старта наплавки. Включают водяное охлаждение кристаллизатора 8 и охладителя 9. Подают начальное, повышенное в сравнение с номинальным, напряжение между токоподводящим элементом и наплавляемой поверхностью изделия 4 от источника тока 10. Для начала электрошлакового процесса в полость между поверхностью наплавляемого изделия 4 и кристаллизатором 1 заливают предварительно расплавленный шлак 11 до уровня его поверхности выше верхней кромки электроизолирующего слоя 2 на величину (0,5…0,7)Н. В момент, когда высота шлака 11 в полости кристаллизатора 1 достигнет заданного уровня, в шлаковую ванну 11 погружают на глубину, равную 0,6-0,7 d, полые неплавящиеся электроды 12. Глубину погружения поддерживают постоянной и в случае ее уменьшения доливают шлак до первоначального уровня. Перед введением в шлаковую ванну 11 электроды 12, подключенные к независимому источнику тока 13, располагают коаксиально полости кристаллизатора 1 на расстоянии между их центрами, равном l=(1,8…2,6) d, что способствует равномерному распределению теплового поля в шлаковой ванне 11. Поддержание устойчивого электрошлакового процесса обеспечивается выбором сопоставимых величин токов в сварочных контурах "токоподводящий элемент - поверхность наплавляемого изделия" и "неплавящиеся электроды - поверхность наплавляемого изделия". После чего через полости электродов 12 подают присадочные материалы 14 (композиционные стержни, проволоки, прутки, дробь и др.) в шлаковую ванну 11. Образующиеся при совместном электромагнитном воздействии от токоподводящего элемента 3 и электродов 12 циркуляционные потоки в шлаковой ванне способствуют интенсивному перемешиванию расплава шлака и капель и увеличению времени их пребывания в шлаковой ванне 11. Капли металла циркуляционными потоками переносятся в нижнюю часть полости кристаллизатора на вставку 15, изготовленную из огнеупорного материала, расположенную под углом 40-50° к поверхности наплавляемого изделия 4, а далее они перемещаются на поверхность наплавляемого изделия 4. По мере возрастания объема капель на участке между вставкой 15 и стенкой кристаллизатора 1 формируется ванна расплавленного металла 16. Под действием повышенного тепловложения от шлака 11 у поверхности ванны расплавленного металла 16 расплавленный металл перегревается и его жидкотекучесть повышается, что облегчает его поступление в формирующую полость 5 кристаллизатора. Поступивший в формирующую полость перегретый металл вследствие направленного теплоотвода в сторону расположенного под полостью охладителя значительно переохлаждается и начинает кристаллизоваться. Слой наплавленного металла 6 образуется при перемещении кристаллизатора 1 относительно наплавляемой поверхности изделия 4 со скоростью наплавки, равной скорости кристаллизации. В процессе ЭШН обеспечивают поддержание верхнего уровня ванны расплавленного металла 16 на расстоянии 2-3 толщин наплавляемого слоя. При уменьшении величины высоты ванны расплавленного металла 16 ее объема становится недостаточно для формирования слоя наплавленного металла 6 заданной ширины. В этом случае с целью стабилизации высоты ванны расплавленного металла 16 скорость перемещения кристаллизатора 1 замедляют. При превышении уровня расплавленного металла 16 его масса возрастает и он не успевает перегреваться, что может привести к нарушению формирования наплавленного металла 6. При этом скорость перемещения кристаллизатора 1 увеличивают для восстановления номинального режима наплавки.
Пример.
э
э
Проводилась электрошлаковая наплавка на плоскую поверхность заготовок из стали 20. Длина заготовок составляла 400 мм, ширина 150 мм, толщина слоя наплавленного металла 3 мм, а ширина 55 мм. Предварительно по периметру полости кристаллизатора через электроизолирующий слой размещали токоподводящий элемент в виде графитового кольца высотой Н=30 мм и подключали его к источнику постоянного сварочного тока. На поверхность изделия в формирующей полости устанавливали пластину для осуществления старта наплавки. Два неплавящихся электрода, изготовленных из графита, имели наружный диаметр d=12 мм. В качестве наплавочного материала использовали две электронейтральные присадочные проволоки ПП-Нп-220Х26М6Н2 диаметром 3 мм каждая. Перед ЭШН подавали начальное повышенное напряжение 50 В между токоподводящим элементом и изделием от источника тока. Сварочный флюс АН-22 предварительно расплавляли и заливали в полость между изделием и кристаллизатором до уровня 0,5 Н=15 мм. В момент, когда высота шлака в полости кристаллизатора достигала заданного уровня в шлаковую ванну погружали неплавящиеся электроды на глубину, равную 0,6 d=7 мм. Перед введением в шлаковую ванну электроды подключали к независимому источнику постоянного сварочного тока, располагали коаксиально полости кристаллизатора на расстоянии между их центрами, равном l=26 мм, что способствовало равномерному распределению теплового поля в шлаковой ванне (см. таблицу). За счет протекания сварочных токов 200-220 А в шлаке через каждый из контуров "токоподводящий элемент - наплавляемое изделие" и "неплавящиеся электроды - наплавляемое изделие" поддерживали электрошлаковый процесс при номинальном напряжении на шлаковой ванне 40 В. Также при взаимодействии токов в шлаковой ванне от токоподводящего элемента и электродов образовывались циркуляционные потоки шлака, способствующие интенсивному перемешиванию расплава капель присадочного металла и увеличению времени их пребывания в шлаковой ванне. Затем через полости электродов в шлаковую ванну подавали присадочные порошковые проволоки. Образующаяся при расплавлении проволок ванна расплавленного металла, уровень которой поддерживали не более 7 мм, вследствие повышенного тепловложения перегревалась, что облегчало прохождение расплавленного металла в формирующую полость кристаллизатора. Попадая в область действия охладителя, перегретый металл переохлаждался и начинал кристаллизоваться. Скорость перемещения кристаллизатора относительно наплавляемой поверхности выбиралась из условия равенства скорости кристаллизации металла и составляла 2 мм/с. Исследованиями первичной структуры хорошо сформированного наплавленного металла установлено, что в нем и в металле переходной зоны отсутствуют сварочные дефекты в виде горячих и холодных трещин, нет микропор и шлаковых включений.
Равномерность выделения тепловой мощности оценивали по распределению температуры в шлаковой ванне. Температуру контролировали вольфрам-молибденовыми и вольфрам-рениевыми термопарами (BP 10/20) с записью результатов на многоканальном потенциометре КСП-4.
Сравнительные данные предлагаемого способа электрошлаковой наплавки в сравнении с прототипом приведены в таблице, из которой следует, что заявляемый способ ЭШН характеризуется качественным формированием наплавляемого металла на начальной стадии процесса, устойчивым электрошлаковым процессом, равномерным распределением температуры в поперечном сечении шлаковой ванны и близкой к прямолинейной форме условной линии сплавления наплавленного металла с изделием.
Использование предлагаемого способа электрошлаковой наплавки дает в сравнении с известными способами электрошлаковой наплавки следующий технический результат.
Обеспечение качественного формирования металла, наплавляемого на плоскую поверхность в процессе ЭШН, улучшение качества наплавленного металла за счет повышения жидкотекучести расплавленного металла и его последующий направленной кристаллизации.
Повышение эффективности использования тепла шлаковой ванны за счет существования в ее объеме двух источников нагрева шлака, распределяющих тепло шлаковой ванны на поддержание процесса и расплавление присадочного металла и на его последующий перегрев.