Індукційне наплавлення

Суть індукційного наплавлення полягає в наступному. Деталь, що наплавляється, розміщують в електромагнітне поле індуктора, який живиться змінним струмом високої частоти (СВЧ). У масі металу деталі або компактної присадки індукується вторинний змінний струм тієї ж частоти, який зосереджується в поверхневому шарі металу, нагріваючи його. Чим вища частота струму, тим шар металу, що нагрівається тонший. Деталі або компактні присадки нагрівають до плавлення металу і з’єднують у виріб. Для запобігання окислення і поліпшення сплаву основного і наплавленого металів застосовують флюси.

В найбільш поширених способах індукційного наплавлення як присадковий матеріал застосовують не компактні матеріали, а шихту, що складається з металевих порошків і добавок флюсів. Металеві гранули ізольовані одна від одної частинками флюсу, унаслідок чого електропровідність порошкового шару і виділення в ньому енергії малі. З цієї причини нагріваючи і розплавлення порошкової шихти йде, в основному, за рахунок теплопередачі від основного металу, що нагрівається СВЧ.

Індукційний нагрів СВЧ в даний час застосовують в наступних способах наплавлення:

- армування розплавленого поверхневого шару основного металу тугоплавкою і труднорозчинною присадкою;

- заливання рідкого присадкового металу на підігрітий основний метал;

- розплавлення брикетованого або монолітного матеріалу на основному металі;

- занурення підігрітої деталі у форму-тигель з розплавленим сплавом;

- відцентрове наплавлення деталей циліндричної форми;

- розплавлення порошкової шихти, нанесеної на поверхню деталі, що наплавляється.

5.4.7.1 Армування розплавленого поверхневого шару основного металу тугоплавкою і труднорозчинною присадкою

При використанні цього способу як присадку застосовують зернистий реліт (карбід вольфраму) або крупу подрібнених металокерамічних сплавів. Присадку разом з флюсом (борна кислота) наносять на поверхню наплавлюваної деталі. Потім деталь вводять в індуктор, в якому поверхневий шар розігрівається до температури плавлення і оплавляється. Зерна присадкового матеріалу при цьому не розплавляються і занурюються в оплавлений поверхневий шар. Закріплення зерен реліту в матриці відбувається за рахунок їх часткового розчинення і змочування розплавом.

Армований поверхневий шар є литою сталевою матрицею із зернами тугоплавкого компонента, що вплавили в неї, Як показують дослідження, тугоплавкі частки практично не змінюють при такому способі наплавлення свою структуру і твердість.

Спосіб відрізняється простотою і забезпечує високі експлуатаційні властивості наплавлених деталей. Він знайшов використання для зміцнення шарошок бурових доліт.

5.4.7.2 Заливання рідкого присадкового металу на підігрітий основний метал.

Поверхню деталі, що наплавляється, покривають шаром флюсу і розміщують в індуктор, поверхня якого захищена вогнетривким складом. Після нагріву деталі до потрібної температури напругу відключають і знизу до індуктора підводять мідне водоохолоджуване кільце. У своєрідну форму, що утворилася, з ковша заливають порції металу, розплавленого в індукційній печі або в іншому плавильному агрегаті. Метод наплавлення рідким присадним матеріалом досить широко використовують для наплавлення деталей, що працюють в умовах абразивного зношування: опорних котків тракторів, бил вуглеподрібнювальних млинів, пальців ковшових ланцюгів екскаваторів і так далі.

5.4.7.3 Розплавлення брикетованого або монолітного матеріалу на основному металі

Метод можна проілюструвати на прикладі наплавлення клапанів двигунів внутрішнього згорання. Присадним матеріалом в цьому випадку служить лите кільце з жаростійкого сплаву, яке укладають у виточку на опорній поверхні клапана. Нагрівання і плавлення сплаву проводиться в кільцевому індукторі, що охоплює ділянку, яка наплавляється. Через індуктор подається захисний газ. Температура нагріву на 50…100 °С перевищує температуру плавлення сплаву. Істотною особливістю є те, що в кінці процесу поверхня клапана, протилежна поверхні, що наплавляється, окропляється водою із спрейєра. Це забезпечує направлену кристалізацію сплаву і його підвищені експлуатаційні властивості.

5.4.7.4 Занурення підігрітої деталі у форму-тигель з розплавленим сплавом

За цим способом підігріту в індукторі деталь занурюють в керамічну форму з розплавленим металом. Керамічна форма повторює контури зміцнюваної поверхні. Для розкислювання розплаву, оберігання його від чаду легуючих елементів і поліпшення сплавлення з основним металом на поверхні ванни може знаходитися рідкий шлак. Розплавлення присадного матеріалу здійснюється індуктором. В цьому випадку не має значення співвідношення температур плавлення основного і присадного металів. Спосіб знайшов обмежене використання, не дивлячись на зовнішню простоту.

5.4.7.5 Відцентрове наплавлення деталей циліндричної форми

Найбільшого поширення цей спосіб знайшов при виготовленні різних біметалічних втулок. Відомо два варіанти реалізації цього способу наплавлення, що відрізняються використовуваним присадним матеріалом. Можна використовувати присадний матеріал в твердому стані у вигляді металевих порошків, стружки і тому подібне В цьому випадку плавлення присадки йде за рахунок теплопередачі від СВЧ основного металу, що нагрівається. По другому варіанту присадний метал плавлять в окремій посудині і заливають в розплавленому стані всередину наплавлюваного циліндру, що обертається.

Особливістю є формування наплавленого металу під дією відцентрових сил, які, з одного боку, сприяють більш рівномірному розподілу розплаву на основному металі і видаленню шкідливих домішок, а з іншої - посилюють лікваційні явища. Тому при наплавленні сильно ліквуючих сплавів необхідно застосовувати спеціальні технологічні заходи: регламентувати кількість металу, що заливається, температуру і тривалість нагріву, число обертів відцентрової машини, швидкість охолоджування металу і ін. Прикладами реалізації цього способу є відцентрове наплавлення гільз автомобільних двигунів, гільз гідроциліндрів і інше.

5.4.7.6 Розплавлення порошкової шихти, нанесеної на поверхню деталі, що наплавляється

Спосіб базується на використанні СВЧ для нагріву основного металу і розплавлення розташованої на ньому порошкової шихти. Знайшов найбільше поширення в промисловості. У масовому виробництві освоєно індукційне наплавлення цим способом лемешів плугів, лап культиваторів, ножів-гичкорізів, рештаків вугільних конвеєрів і інших деталей. Продуктивність наплавлення досягає 10 кг/год. Можливе формування наплавлених шарів товщиною 0,4 мм і більш.

Шихту - суміш порошку сормайта з флюсом (бура, борний ангідрид, силікокальцій, фтористий кальцій і ін.) - наносять на поверхню, що наплавляється, і за допомогою спеціального пристосування вводять в індуктор. Конструкція індуктора і розташування в нім деталі залежать від конфігурації зміцнюваної ділянки. Джерелом живлення, як правило, служать лампові або напівпровідникові високочастотні генератори з частотою 70 кГц. При включенні індуктора в поверхневих шарах основного металу індукуються струми, і зовнішній шар металу швидко розігрівається. Шар порошкової шихти слабо реагує на дію змінного електромагнітного поля, і шихта нагрівається в основному за рахунок теплопередачі від основного металу. З цієї причини температура плавлення шихти має бути нижчою за температуру плавлення основного металу.

Флюс, що входить до складу шихти, плавиться, розчиняє оксиди, забезпечує хороше змочування поверхні, що наплавляється, і розтікання по ній зносостійкого сплаву. При наплавленні цим способом жодної спеціальної підготовки поверхні виробу не потрібно.

5.4.7.7 Наплавлювальні матеріали

При використанні методу армування розплавленого поверхневого шару основного металу тугоплавкою і труднорозчинною присадкою як правило, використовують зерновий реліт-евтектичу суміш карбідів вольфраму WC і W₂C. Можна також використовувати роздроблену крупу твердих сплавів типа ВК або ТК (карбіди вольфраму і титану з кобальтовою зв’язкою).

Для індукційного наплавлення клапанів застосовували литі кільця із сплаву на основі нікелю ЕП-616 (мас. доля %: C-1,2; Si-3,0; Mn-0,4; Cr-17,0; Ti-0,2; Al-0.6; Fe-3,0; B-1,5; Cu-0,25; Ni-останнє).

Для індукційного наплавлення робочих органів сільськогосподарських, дорожніх і будівельних машин використовують порошки сплавів і наплавлювальні суміші на основі заліза.

Порошкова шихта для індукційного наплавлення є сумішшю металевих порошків з флюсом. У шихті міститься 82…85% по масі металевого порошку, останнє - флюс.

Для індукційного наплавлення найширше застосовують флюси, що представляють суміш бури і борного ангідриду (борної кислоти). Точного дозування флюси для індукційного наплавлення, як правило, не мають, проте, наприклад, краще розтікання розплаву флюсу забезпечується при вмісті в суміші 40% бури і 60% борного ангідриду. Для поліпшення розкислювання у флюс вводять до 10% силікокальцію, а для поліпшення відділення шлакової кірки - до 40% зварювального флюсу АН-348, відповідно зменшуючи вміст бури і борного ангідриду.