СПОСОБ ДУГОВОЙ НАПЛАВКИ МЕДИ И МЕДНЫХ СПЛАВОВ НА СТАЛЬ
METHOD OF ARC DEPOSITION OF COPPER AND COPPER ALLOYS ON STEEL

Изобретение относится к области сварочного производства и может быть использовано в судостроении, машиностроении и в других отраслях промышленности при изготовлении узлов, деталей и конструкций из стали с наплавленным рабочим слоем из меди или медного сплава, предназначенным для обеспечения их антифрикционных свойств, коррозионной стойкости, электропроводности и др.
Известно, что наплавка меди и ее сплавов на сталь может выполняться различными дуговыми способами сварки плавлением: автоматическим под флюсом, ручным и механизированным аргонодуговым плавящимся и неплавящимся электродом, ручным покрытыми электродами. Однако при применении всех указанных способов дуговой наплавки меди и ее сплавов на сталь под действием сварочной дуги происходит значительное расплавление стали, перемешивание в сварочной ванне расплавленной стали с расплавленным присадочным металлом на медной основе и образование наплавленного металла с большим (10-30 мас.% и более) содержанием железа. Растворимость железа в твердой меди или в медном сплаве незначительная. Как показали исследования, в пересыщенном твердом растворе на основе меди может сохраняться до 3-5 мас.% железа. Остальное железо, перешедшее в наплавленный металл, выделяется в виде новой фазы - твердого раствора на основе железа. Выделения этой фазы существенно уменьшают коррозионную стойкость и антифрикционные свойства наплавленного металла, ударную вязкость и пластические свойства наплавленных образцов. Чтобы избавиться от выделений фазы на основе железа в рабочем слое наплавленного изделия и обеспечить его коррозионную стойкость и антифрикционные свойства, наплавку медных сплавов на сталь указанными дуговыми способами приходится выполнять в несколько слоев (Подгаецкий В.В. Механизированная наплавка слоя алюминиевой бронзы БрАЖМц 10-3-1,5. - Автоматическая сварка, 1959, №7, с.93). Но пластические свойства и ударная вязкость (при надрезе по зоне сплавления наплавленного металла со сталью) наплавленных образцов остаются низкими из-за наличия в зоне сплавления значительного количества выделений хрупкой и твердой фазы на основе железа.
Для обеспечения коррозионной стойкости, антифрикционных свойств, пластических свойств и ударной вязкости (при надрезе по зоне сплавления наплавленного металла со сталью) наплавленных образцов уже при наплавке медных сплавов на сталь в один слой наплавку медных сплавов на сталь следует выполнять без расплавления или с минимальным расплавлением стали так, чтобы содержание железа в первом слое наплавленного металла не превышало 5%.
Известен способ аргонодуговой наплавки неплавящимся электродом меди и ее сплавов на сталь (Патент РФ на изобретение №2390398 от 27 мая 2010 г.), принимаемый нами за прототип, при котором за счет применения специальной техники наплавки обеспечивается уменьшение степени расплавления стали и минимальный (менее 5%) переход железа из стали в наплавленный металл.
Однако этот способ наплавки (прототип) распространяется только на способ аргонодуговой наплавки неплавящимся электродом, включающий расплавление присадочного материала только в виде прутка, отличающийся тем, что перед началом наплавки присадочный пруток устанавливают в месте начала наплавки под углом 5-15° к наплавляемой поверхности с упором в нее нижнего конца прутка, располагают сварочную горелку под углом 80-90° к присадочному прутку, зажигают дугу между неплавящимся электродом сварочной горелки и нижним концом присадочного прутка, не допуская контакта дуги со сталью, расплавляют присадочный пруток с его перемещением без изменения его угла наклона к наплавляемой поверхности до образования на ней ванны расплавленного металла присадочного прутка шириной 7-10 мм и толщиной 2-3 мм, после чего переносят сварочную дугу с присадочного прутка на образованную ванну расплавленного металла в точку на расстоянии 2-4 мм от ее головной части, располагают сварочную горелку под углом 40-45° к поверхности ванны расплава и осуществляют процесс наплавки углом вперед с поддержанием постоянного угла наклона сварочной горелки и уровня ванны расплавленного металла. Однако этот способ наплавки имеет следующие недостатки. При этом способе наплавки применяются сложные технологические приемы. Присадочный металл для наплавки применяется только в виде прутков, которые подаются в зону наплавки только вручную. Производительность наплавки очень низкая. Для обеспечения качественного выполнения наплавки при этом способе необходимо, чтобы наплавку выполняли только высококвалифицированные сварщики, тщательно обученные сложным технологическим приемам наплавки по прототипу.
Техническим результатом заявляемого изобретения является разработка способа дуговой наплавки меди и медных сплавов на сталь, в котором при сохранении уменьшения степени расплавления стали и минимальном (менее 5%) переходе железа из стали в наплавленный металл обеспечиваются упрощение технологических приемов наплавки, возможность применения присадочного металла в виде присадочной проволоки, возможность механизированной подачи присадочной проволоки в зону наплавки, повышение производительности наплавки и при котором нет необходимости в подготовке сварщиков для освоения специальной техники наплавки и в предъявлении повышенных требований к квалификации сварщиков.
Технический результат предлагаемого изобретения достигается за счет того, что для получения наплавленного слоя на поверхности стального изделия предварительно на стальную поверхность наносят флюс-пасту толщиной 0,1-0,2 мм, для наплавки используют присадочный металл одного и того же состава, состоящий из полотна толщиной 1,0-1,6 мм, предварительно приваренного точечными швами к стальной поверхности в шахматном порядке путем локального расплавления полотна на всю его толщину в отдельных точках диаметром 3-5 мм с шагом между точками 15-20 мм, и из сварочной проволоки, затем возбуждают дугу между неплавящимся электродом и полотном присадочного металла, достаточном для локального расплавления полотна под дугой на всю его толщину, после этого дугой без ее перемещения расплавляют полотно до поверхности стали, механизированным способом или вручную подают присадочную проволоку в образовавшуюся ванну жидкого металла и одновременно увеличивают сварочный ток в дуге до значения, необходимого для совместного плавления этой дугой присадочного полотна и присадочной проволоки, при этом образуют общую сварочную ванну из расплавленного присадочного полотна и расплавленной присадочной проволоки и продолжают процесс наплавки до получения наплавленного слоя на всей наплавляемой поверхности.
2
Опробование предложенного способа наплавки меди и медных сплавов на сталь производили следующим образом. Для наплавки по предложенному способу было взято полотно толщиной 1 мм из сплава марки МНЖКТ5-1-0,2-0,2 состава (мас.%): Ni - 6,1, Fe - 1,2, Mn - 0,72, Cu - остальное, шириной 40 мм и длиной 200 мм. На пластину размером 12×100×200 мм из стали АБ2 кисточкой был нанесен слой флюса-пасты толщиной - 0,15 мм в виде раствора буры в этиловом спирте. После нанесения флюса-пасты на пластину было уложено полотно из сплава МНЖКТ5-1-0,2-0,2 и приварено к стальной пластине точечными швами в шахматном порядке. Сварку выполняли без применения присадочного металла аргонодуговым способом неплавящимся электродом путем расплавления полотна в намеченных точках диаметром 3-5 мм с шагом между точками 15-20 мм. При этом для обеспечения надежного контакта полотна с пластиной у места сварки точки полотно прижимали к пластине с помощью ручного инструмента. После этого на стальную пластину с приваренным к ней полотном была выполнена наплавка механизированным способом неплавящимся электродом в аргоне проволокой диаметром 1,2 мм марки МНЖКТ5-1-0,2-0,2 того же состава, что и полотно, на режиме: сварочный ток 180-200 А, напряжение на дуге 16 В, скорость подачи проволоки 240 м/ч (4,0 м/мин), скорость наплавки 15 м/час. В результате на стальную пластину был наплавлен слой металла высотой 3,3 мм площадью 40×200 мм. Наплавка была выполнена за 8 мин, а с учетом приварки полотна к пластине - за 10 мин.
Для сравнения аналогичный слой металла был наплавлен способом наплавки по прототипу, на что было затрачено 24 мин.
На обеих наплавленных пластинах было определено содержание железа в наплавленном металле и наличие выделений фазы на основе железа в его структуре.
3
Результаты исследования приведены в таблице и показывают следующее. При обоих способах наплавки: предложенном и по прототипу содержание железа в наплавленном металле, определенное методом микрорентгеноспектрального анализа, низкое и находится примерно на одном уровне: 1,8-3,2 мас.%. При металлографическом исследовании шлифов, полученных из наплавленных образцов, на микроскопе «Axiovert 40MAT» при увеличении 100 и 300 установлено, что микроструктура наплавленного металла везде однофазная, выделения фазы на основе железа в наплавленном металле при обоих способах наплавки отсутствует. Недопустимые дефекты в наплавленном металле (трещины, свищи, непровары) также отсутствуют при обоих способах наплавки. Отличие заключается в длительности наплавки на сталь одинакового по размерам слоя медно-никелевого сплава (объем 26,3 см; масса 234 г). Длительность наплавки по предложенному способу (с учетом времени на приварку полотна к пластине) составила 10 мин, а при наплавке по прототипу - 24 мин, производительность наплавки соответственно 23,4 г/мин и 9,8 г/мин. Таким образом, производительность наплавки по предложенному способу в 2,4 раза выше, чем при наплавке по прототипу.
Таблица
Результаты опробования наплавленных образцов
Способ наплавки
Массовая доля железа в наплавленном металле, %
Наличие фазы на основе железа в наплавленном металле
Наличие недопустимых дефектов в наплавленном металле
Объем и масса наплавки
Длительностьнаплавки, мин
Производительность наплавки, г/мин
см<sup>3</sup>
г
Предложенный
<img file="00000001.tif" he="11" wi="21" img-content="undefined" img-format="tif" />
отсутствует
отсутствуют
26,3
234
10
23,4
По прототипу
<img file="00000002.tif" he="11" wi="23" img-content="undefined" img-format="tif" />
отсутствует
отсутствуют
26,3
234
24
9,8
Примечания: 1) В таблице приведены результаты определения массовой доли железа не менее чем на 3-х образцах. В числителе приведены минимальные и максимальные значения, в знаменателе - средние значения.
2) Длительность наплавки по предложенному способу включает время на приварку полотна к пластине (2 мин) и на наплавку.