СПОСОБ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОЙ НАПЛАВКИ Российский патент 2008 года по МПК B23K25/00 

Изобретение относится к электрошлаковой наплавке (ЭШН) и может быть использовано для получения литых, биметаллических изделий и восстановления изношенных поверхностей деталей.

Известен способ вертикальной электрошлаковой наплавки, включающий введение в кристаллизатор флюса, наведение шлаковой ванны посредством дугового разряда и расплавление расходуемого ленточного электрода за счет тепла, выделяющегося в шлаковой ванне, плавящийся торец которого одновременно удаляют от наплавляемой поверхности на расстояние, определяемое по эмпирической зависимости (Патент РФ №20227414, кл. В23К 25/00, опубл. 15.11.94, бюл. №21).

Недостатком способа является нестабильность стартовой фазы процесса - наведения шлаковой ванны.

В качестве ближайшего аналога выбран способ электрошлаковой наплавки, включающий введение в кристаллизатор флюса, наведение шлаковой ванны и расплавление наплавляемого металла за счет тепла, выделяющегося в шлаковой ванне, или заливку жидкого присадочного материала (Кусков Ю.М. и др. Электрошлаковая наплавка. / Под ред. А.Ф.Пименова. - М.: ООО «Наука и технологии». - 2001, с. 8-10).

Недостатком способа также является нестабильность начальной стартовой фазы процесса, задачей которой является наведение шлаковой ванны (расплавление флюса). Старт может быть "твердым" или "жидким". При "твердом" старте между электродом и подложкой (деталью) разжигается электрическая дуга, за счет тепла которой плавится флюс. Однако процесс зажигания дуги при электрошлаковой наплавке, заключающийся в перегорании перемычки (вылета электрода), является трудноконтролируемым. Здесь требуется в короткий промежуток времени поддерживать стабильность сварочной дуги, варьируя одновременно подаваемым напряжением и величиной межэлектродного зазора. В противном случае дуга может «потухнуть» и попавший в зазор флюс не даст разжечь ее снова либо электрод может «привариться» к подложке (детали), что в том и другом случае требует весь процесс наплавки начинать заново.

При "жидком" старте расплавленный флюс заливают в кристаллизатор с установленным в нем электродом, который находится под напряжением, поэтому процесс наплавки начинается сразу, т.к. расплавленный флюс (шлак) обладает электропроводностью. Однако и этот вариант старта имеет свои недостатки. Заливка расплавленного жидкого шлака в холодный кристаллизатор приводит к его быстрому охлаждению и в случае восстановительной наплавки ведет к несплавлению с наплавляемой поверхностью. Поэтому деталь перед наплавкой необходимо хорошо подогревать, что повышает трудоемкость и энергоемкость процесса.

Технической задачей, на решение которой направлено заявленное техническое решение, является повышение стабильности стартовой операции при электрошлаковой наплавке и повышение качества наплавки при восстановлении за счет повышения прочности сцепления основного и наплавленного металлов.

Указанная техническая задача решается тем, что в способе электрошлаковой наплавки, включающем введение в кристаллизатор флюса, наведение шлаковой ванны и расплавление наплавляемого металла или заливку жидкого присадочного металла через находящуюся под напряжением шлаковую ванну, в отличие от прототипа перед введением флюса в кристаллизатор в него вводят экзотермическую смесь и инициируют процесс самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС).

Процесс СВС может быть инициирован дуговым разрядом или введением расплавленного флюса (шлака). Для повышения стабильности процесса СВС экзотермическую смесь предварительно прессуют.

Предлагаемый способ значительно стабилизирует наиболее ответственную стартовую фазу электрошлаковой наплавки, что упрощает процесс управления в этой фазе, а также исключает возможность брака в результате прекращения дугового процесса или приваривания электрода к подложке (детали). Данный способ позволяет повысить качество наплавки, например, при восстановлении изношенных деталей за счет введения в реакционную смесь различных наполнителей, повышающих прочность сцепления наплавки с основным металлом. В отдельных случаях это исключает необходимость в изготовлении специальных составных электродов для восстановительной наплавки трудносвариваемых сталей.

Примеры выполнения способа.

Пример 1. Проводят восстановление била молотковой мельницы ЭШН с использованием "твердого" старта. Изношенное било закрепляют в специальной установке для наплавки вертикально, а сверху устанавливают медный водоохлаждаемый кристаллизатор. На изношенную поверхность била кладут спрессованный брикет из экзотермической смеси системы железо-алюминий в стехиометрическом соотношении. Расходуемый электрод (стальная полоса 110×20 мм) приводят в соприкосновение с брикетом и сверху засыпают флюс АНФ-29. Включают цепь переменного тока (трансформатор ТДФНС-2000) и тем самым инициируют процесс СВС дуговым разрядом. После окончания экзотермической реакции и полного расплавления флюса ведут электрошлаковый процесс расплавления расходуемого электрода на режимах: напряжение на шлаковой ванне 36-40 В, ток наплавки 1,0-1,2 кА, скорость наплавки 1,2-1,4 м/ч, время наплавки 4,5-5 мин.

Пример 2. В отличие от примера 1 ЭШН осуществляют жидким присадочным материалом с использованием нерасходуемого электрода. После установки брикета из экзотермической смеси к нему подводили графитовый электрод и засыпали флюс того же состава. После инициирования процесса СВС дуговым разрядом и окончания экзотермической реакции через расплавленный шлак, находящийся под напряжением, подавали непрерывно жидкий присадочный материал (расплав металла, предварительно приготовленный в индукционной печи). При этом нерасходуемый электрод поднимали со скоростью, равной скорости подъема шлаковой ванны.

Пример 3. В отличие от примера 1 процесс ЭШН начинали "жидким" стартом. После укладки брикета из экзотермической смеси к нему подводили расходуемый электрод, но напряжение не подавали. Процесс СВС инициировали заливкой порции жидкого (расплавленного отдельно в индукционной печи) флюса (шлака) и после окончания экзотермической реакции подавали напряжение на шлаковую ванну и вели процесс ЭШН.

Анализ стартовой операции во всех трех примерах показал, что применение предлагаемого способа значительно ее стабилизирует и упрощает. После окончания экзотермической реакции и расплавления шлака происходит стабилизация напряжения на шлаковой ванне, а дуговой и СВС процессы плавно переходят в электрошлаковый. Исследования прочности стыка деталей, восстановленных известными и предлагаемым способами, путем излома однозначно показали преимущество последнего. Прочность стыка наплавленного слоя и восстановленной детали повышается на 40-60%, что говорит о том, что использование процесса СВС обеспечивает не только стабильность стартовой операции и эффективное расплавление флюса, но и интенсивный разогрев наплавляемой поверхности детали, повышающий качество наплавки. Применение предлагаемого способа обеспечивает также снижение энергоемкости процесса ЭШН и значительное снижение количества брака на начальной фазе процесса.

Изобретение может быть использовано для получения литых, биметаллических изделий и восстановления изношенных поверхностей деталей. После введения в кристаллизатор флюса в нем наводят шлаковую ванну и расплавляют наплавляемый металл или заливают жидкий присадочный металл через находящуюся под напряжением шлаковую ванну. Перед введением флюса в кристаллизатор в него вводят реакционную экзотермическую смесь и инициируют процесс самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Изобретение обеспечивает повышение стабильности стартовой операции и качества электрошлаковой наплавки за счет улучшения прочности сцепления основного и наплавленного металлов. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ электрошлаковой наплавки, включающий введение в кристаллизатор флюса, наведение шлаковой ванны и расплавление наплавляемого металла за счет тепла, выделяющегося в шлаковой ванне или заливку жидкого присадочного материала через находящуюся под напряжением шлаковую ванну, отличающийся тем, что перед введением флюса в кристаллизатор в него помещают экзотермическую смесь с последующим инициированием процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС).2. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс СВС инициируют дуговым разрядом или введением расплавленного флюса.3. Способ по п.2, отличающийся тем, что экзотермическую смесь предварительно прессуют.