Наплавка быстрорежущей стали

Способ наплавки заключается в расплавлении быстрорежущей стали в вольтовой дуге или газовом пламени. Жидкий металл стекает на державку из углеродистой стали, образуя режущую часть инструмента, которая затем отжигается, проходит механическую обработку, закалку и отпуск.

В отличие от способов наварки пластин и стыковой сварки наплавка изменяет не только форму наплавляемой быстрорежущей стали, но и ее макро- и микроструктуру и химический состав.

Процесс наплавки в полной мере eщe не разработан. Применение этого способа более рационально в случае, когда для наплавки используются отходы быстрорежущей стали, накапливающиеся на заводах.

а) Наплавка в вольтовой дуге (электронаплавка). Вольтова дуга может создаваться между металлом державки и расплавляемым прутком быстрорежущей стали, который в этом случае является электродом, или между металлом державки и электродом, изготовляемым из стружки быстрорежущей стали, или между угольным и железным электродами (по способу Бенардоса). В последнем случае в образующуюся вольтову дугу вводят пруток, куски или стружку быстрорежущей стали.

1. Электронаплавка электродом из быстрорежущей стали получила большее применение на заводах, чем другие способы электронаплавки. Электрод для этой цели изготовляют обычно из отходов быстрорежущей стали путем проковки под молотом. Применение для наплавки прутков-электродов без специальной обмазки их практически невозможно, так как дуга получается прерывистой, нестабильной, а расплавляемая быстрорежущая сталь окисляется. Углерод, содержащийся в быстрорежущей стали, взаимодействует при этом с закисью железа по реакции:



Образующиеся пузырьки CO частично всплывают на поверхность жидкого металла, а частично задерживаются в наплавленном слое при его застывании, вследствие чего наплавляемый металл получается «пузыристым», с значительным количеством пор и раковин. В процессе наплавки происходит выгорание легирующих элементов и в первую очередь — ванадия и хрома. Степень выгорания углерода и легирующих элементов связана также с рядом трудно учитываемых и зависящих часто от искусства сварщика условий электронаплавки (длины дуги, силы тока и т. д.).

Для получения наплавки удовлетворительного качества как по макроструктуре, так и по химическому составу необходимо покрывать электрод специальными защитными обмазками. В настоящее время еще не имеется окончательно принятых составов такой обмазки. Ввиду высокого содержания в быстрорежущей стали углерода, хрома и ванадия, окисляющихся сильнее железа, использование для этой цели обмазок, принятых для сварки малоуглеродистой стали, оказывается недостаточно эффективным.

Отдельные заводы применяют обмазки различного состава, в которые для компенсирования выгорающих элементов вводят ферровольфрам, ферромолибден и феррованадий. Однако подобное использование дорогих ферросплавов нерационально.

Хорошие результаты получаются при применении покрытия следующего состава (в весовых частях):

Допускается также добавка в этот состав 1—2 частей графита. Мел, вводимый в покрытие, дает основной шлак и хорошо стабилизирует дугу; плавиковый шпат увеличивает основность шлака, делает его более легкоплавким и жидкотекучим. Органические вещества создают газозащитную атмосферу при расплавлении электрода. Ферромарганец и частично феррохром являются раскислителями и, понижая содержание закиси железа, образующейся при наплавке, способствуют получению плотного беспузыристого металла. Растворимое (жидкое) стекло, содержащее Na2O, повышает стабильность дуги и одновременно является связующим веществом. Защитное действие этого покрытия характеризуется данными, приводимыми в табл. 65.

Присутствие в наплавленном металле повышенного процента марганца не создает опасности образования трещин при закалке и не ухудшает режущих свойств, если толщина наплавленного слоя не превышает 10—15 мм.

Вместо ферромарганца можно вводить в состав обмазки 10—12 весовых частей, порошка алюминия, что также дает наплавленный слой хорошего качества.

Микроанализ показывает, что наплавленный слой имеет удовлетворительную структуру с мелкими, сравнительно равномерно распределенными карбидами. Образования ледебуритной эвтектики, характерной для структуры литого слитка, обычно не наблюдается. Это объясняется тем, что слой наплавляемого металла является небольшим по объему, застывание стали происходит очень быстро и первичные карбиды не успевают полностью выделиться. Поэтому стойкость наплавленного инструмента является вполне удовлетворительной. Однако при наплавке резцов сечением более 20х20 мм не всегда удается избежать образования внутренних пор и пузырей, которые вскрываются при заточке и часто зависят от индивидуальных приемов сварщика, в частности, от создаваемой им длины дуги.

Для выполнения наплавки надо применять электроды диаметром не более 5—6 мм, что ограничивает широкое применение этого способа, так как требует при отсутствии пригодного материала (например, тонких сломанных или бракованных сверл) специальной проковки отходов на тонкие прутки. Такая проковка облегчается в случае применения специальных подкаток. Откованные прутки зачищают и используют для наплавки без отжига или иной термической обработки.

Дальнейший процесс наплавки выполняется следующим образом: мел, ферромарганец и другие компоненты покрытия, кроме растворимого стекла, измельчают, просеивают через сито, хорошо перемешивают, а затем замешивают на разведенном водой растворимом стекле до (густого состояния. Образующаяся масса через стеклянную воронку намазывается на электрод.

Толщина обмазки должна составлять 0,8—1,0 мм на сторону.

Электрод с нанесенным покрытием просушивают сначала 3—4 часа на воздухе, а затем в сушильном шкафу 1—2 часа при 150—170° Максимально полное удаление влаги из обмазки необходимо во избежание образования водяных паров в процессе наплавки, создающих поры и пузыри в наплавленном металле.

Державка из углеродистой стали в той части, на которую производится наплавка, должна быть зачищена и не должна иметь ржавчины и окалины.

Наплавку можно вести как на подогретую (до 600—700°), так и на холодную державку.

При наплавке можно применять медные формы или вести наплавку без форм — «валиком» в один или два слоя, общей высотой 5—10 мм и выше. Применение графитовых форм нецелесообразно, так как они создают чрезмерное науглероживание наплавляемого металла. Весь процесс наплавки на державку надо вести без отрыва дуги за один прием и при окончании наплавки обрывать дугу быстрым переносом электрода на державку.

Процесс наплавки при применении покрытия, указанного в табл. 65, можно вести как на постоянном, так и на переменном токе при силе тока 140—170 а. Постоянный ток дает более стабильную дугу, а следовательно, и лучшее качество наплавки.

По окончании наплавки инструмент немедленно передают для отжига, после которого он поступает для механической обработки, а затем для закалки и отпуска по режиму, установленному для соответствующих марок быстрорежущей стали. Твердость наплавленной стали РФ1 составляет после закалки 60—62 Rс, а после трехкратного отпуска 63—65 Rс.

2. Электронаплавка с применением стружки быстрорежущей стали. В обмажу вводят мелкоизмельченную стружку быстрорежущей стали, примерно в количестве 30—50% от веса остальных компонентов обмазки. Для этой цели отбирают чистую стружку, нагревают ее до 950—1000°, охлаждают в воде и дробят.

В других случаях приготовленную таким способом стружку прессуют в виде стержня, применяемого затем в качестве электрода при электронаплавке. Прессованный стержень обмазывают и наплавляют в таком же порядке, как это было изложено в отношении кованых электродов. После этого инструмент проходит нормальный отжиг, механическую обработку, закалку и отпуск.

Применение этого способа позволяет использовать стружку быстрорежущей стали и отказаться от ковки электродов. Однако его эффективность и возможность получить достаточно плотный и свободный от окислов наплавленный слой в полной мере еще не проверены.

3. Электронаплавка угольным электродом; ее производят двумя способами:

а) Вольтова дуга создается между угольным и металлическим электродом, изготовляемым из углеродистой стали (катаной проволоки диаметром 4—5 мм). Отходы быстрорежущей стали вносят в вольтову дугу, они расплавляются и стекают на подготовленную державку.

Этот способ предложен инж. Степанушкиным и применяется на одном из заводов. Преимуществом его является возможность применения для наплавки не только специально кованых электродов, а кусков или обломков и даже стружки быстрорежущей стали разной формы, что значительно упрощает использование отходов. Практически обломки стали не должны превышать определенной величины, для того чтобы можно было обеспечить достаточно быстрое и полное расплавление их в вольтовой дуге.

Дефектом этого способа является применение железного электрода, так, как железо проволоки расплавляется в вольтовой дуге и, попадая в наплавляемый слой, понижает в нем относительное содержание легирующих элементов: вольфрама, хрома и ванадия. Поэтому для сохранения их содержания в проценте, необходимом в быстрорежущей стали, приходится применять для железного электрода специальную обмазку, в которую надо дополнительно вводить ферросплавы (ферровольфрам, феррованадий и феррохром), что не всегда является рациональным. Химический состав наплавленного слоя при этом способе значительно изменяется в зависимости от различных условий наплавки и, в частности, от степени выгорания железа электрода и легирующих компонентов обмазки, что усложняет последующую термическую обработку, так как температура нагрева при закалке быстрорежущей стали зависит от содержания углерода и легирующих элементов.

б) Вольтова дуга создается между державкой и угольным (или графитовым) электродом. По способу, разработанному А.Н. Добровидовым и А.М. Розенбергом, наплавку производят следующим образом. На гнездо державки насыпают тонкий слой флюса, состоящего из обожженной буры или мела (65—70%), плавикового шпата (20—25,%), кварцевого песка (5—10%) и алюминия в виде стружки или кусочков (4—5%). Этот слой флюса расплавляют пламенем вольтовой дуги, создаваемой между державкой и и электродом, и прогревают при этом державку до 600—700°. После этого обрывают дугу, насыпают на гнездо измельченную стружку и мелкие куски быстрорежущей стали слоем 2—3 мм, засыпают их флюсом, вновь возбуждают дугу и расплавляют быстрорежущую сталь. После расплавления стали обрывают дугу, посыпают металл слоем флюса, затем вновь укладывают слой быстрорежущей стали, засыпают его новым слоем флюса и повторяют весь процесс до получения на державке слоя быстрорежущей стали толщиной 6—8 мм. Для этой цели, по данным А.Н. Добровидова и А.М. Розенберга, достаточно выполнить указанный процесс три раза. Получение плотного слоя быстрорежущей стали без пор и раковин требует наиболее полного удаления выделяющихся при наплавке газов, для чего надо выдержать сталь в течение короткого времени в жидком состоянии и не следует обрывать дугу немедленно после расплавления стали.

Наплавку производят в шамотные формы, препятствующие вытеканию жидкого металла из гнезда державки.

Наплавку можно выполнять как постоянным, так и переменным током. При применении графитовых электродов сила тока должна составлять 100 а для электродов диаметром 5 мм и 190 а для электродов диаметром 10 мм, а при применении угольных электродов соответственно 25 а и 70 а.

По окончании наплавки резцы охлаждают на воздухе, и они получают твердость в пределах 60—63 Rс. А.Н. Добровидов и А.М. Розенберг рекомендуют сообщать резцам трехкратный отпуск непосредственно после наплавки; нагрев при отпуске 560°.

Если при заточке резца оказывается необходимым снять большой слой наплавленного металла, то, по нашему мнению, более эффективно передать резцы после наплавки сначала для отжига, а затем для заточки, закалки и отпуска. Такая обработка по причинам, приведенным выше, позволит создать более высокие и однородные режущие свойства в (различных партиях наплавленных резцов.

В настоящее время нет еще данных, позволяющих судить о том, в какой степени этот способ наплавки защищает расплавляемую быстрорежущую сталь от выгорания отдельных элементов. Можно, однако, предполагать, что это выгорание незначительно, поскольку наплавка производится под слоем защитного флюса, а вольтова дуга возбуждается угольным электродом. Если широкая заводская проверка подтвердит это предположение и установит возможность получения в массовых партиях плотного наплавленного слоя без пор и раковин, то этот способ должен получить широкое применение как более удобный и позволяющий использовать мелкие отходы быстрорежущей стали.

б) Наплавка в кислородно-ацетиленовом пламени. Для наплавки в газовом пламени применяют прутки диаметром 4—6 мм, откованные из отходов быстрорежущей стали.

При выполнении наплавки в кислородно-ацетиленовом пламени существенное значение имеет соотношение между объемами кислорода и ацетилена, подаваемыми в горелку.

Если ацетилен поступает в меньшем объеме, чем кислород, то избыточный кислород будет активно взаимодействовать с наплавляемым металлом и вызывать выгорание углерода, железа и легирующих элементов. Наплавка получается неудовлетворительной: пузыристой, рыхлой и раковистой вследствие выделения газов и окислов металла. Поэтому наплавка при избытке кислорода недопустима.

Окисления металла не будет происходить, если ацетилен и кислород поступают в равных объемах, т. е. при нейтральном пламени. Наплавленный слой в этом случае получается плотным и удовлетворительным по микроструктуре, но при условии очень тщательного регулирования пламени и ведения процесса. Поэтому, чтобы лучше защитить наплавляемый металл от окисления, наплавку производят с избытком ацетилена. Однако при дальнейшем изменении соотношения газов в сторону избытка ацетилена в восстановительной зоне пламени будут присутствовать CO и свободный углерод, количество которых возрастает с увеличением подачи ацетилена.

Свободный углерод в присутствии CO вызывает науглероживание наплавляемой стали, в результате чего, при большом избытке ацетилена, содержание углерода может достигнуть 1,5—2,5%. Хотя наплавленный металл в этом случае не будет иметь пор и раковин, а производительность процесса наплавки возрастает за счет лучшей жидкотекучести металла, подобный инструмент является браком. Твердость наплавленного слоя часто не может быть доведена ниже 40—45 Rc даже после продолжительного отжига. При нагреве для закалки до 1260—1280° быстрорежущая сталь с высоким содержанием углерода начинает оплавляться, а количество остаточного аустенита после закалки значительно возрастает, ввиду чего твердость закаленной стали не превышает 56—59 Rc. Выполненные нами исследования показали, что остаточный аустенит такой стали обладает повышенной устойчивостью против отпуска; поэтому наплавленный слой после трех отпусков сохраняет часто пониженную твердость в пределах 58—60 Rc. Для получения требуемой для режущего инструмента твердости 63—65 Rc оказывается необходимым выполнять пять-шесть отпускав.

Микроанализ обнаруживает в структуре слоя, наплавленного при избытке ацетилена, значительное количество ледебуритной эвтектики. Поэтому фасонный инструмент, содержащий повышенный процент углерода в наплавленном слое, обладает низкой стойкостью. На фиг. 114 и 115 приведена микроструктура стали РФ1, наплавленной при различных составах газового пламени.

Наплавку надо вести при небольшом избытке ацетилена. Однако определение состава подаваемых в горелку газов связано с значительной трудностью и требует, в частности, установки счетчика высокого давления для кислородного баллона. Удовлетворительные результаты можно получить в случае регулирования состава подаваемых газов по отношению длины науглероживающего «белого языка» пламени к его ядру. Слегка восстановительное пламя характеризуется отношением длины «белого языка» к ядру, как 2:1 или даже 3:1 (для горелки с наконечником № 2 и 3).

Обмазки прутков быстрорежущей стали при газовой наплавке не требуется. Наплавку ведут как в форму, так и валиком. Применение графитовых форм не допускается, так как они создают дополнительное науглероживание стали.

После наплавки инструмент немедленно передают для отжига с нагревом до 1000—1100° и выдержкой 20—30 мин., затем для механической обработки, после которой инструмент проходит закалку с нагревом по нижнему интервалу температур, установленных для данной марки стали, а затем четырех-пятикратный отпуск для получения твердости 63—64 Rс.

Трудность регулирования состава газов и вызываемая этим неоднородность получаемых результатов при большей дороговизне наплавки в кислородно-ацетиленовом пламени делают этот способ менее эффективным по сравнению с электронаплавкой.