Наплавкой называется процесс нанесения с помощью сварки на поверхность детали слоя металла для восстановления ее первоначальных размеров (при износе после эксплуатации) либо для придания этой поверхности специальных свойств (износостойкости, антикоррозионности, антифрикционности и др.).

Для получения заданных свойств наплавленного слоя применяют легирование присадочного металла в процессе наплавки или чаще всего используют специальные наплавочные электроды.

Металлические электроды для дуговой сварки изготовляют в соответствии с ГОСТ 9466-75. По качеству (точность изготовления, состояние поверхности покрытия, сплошность металла шва, содержание серы и фосфора в наплавленном металле) электроды подразделяются на группы 1, 2, 3.

Покрытие электрода должно быть однородным, плотным, прочным, без трещин, наплывов, вздутий и эксцентричности относительно оси стержня. Допускаются шероховатость и отдельные риски глубиной менее четверти толщины покрытия; вмятины глубиной до половины толщины покрытия на длине не более 12,0 мм; оголённость только с конца электрода на длине не более половины диаметра и другие мелкие дефекты. Прочность покрытия испытывают следующим образом: при падении плашмя на стальную плиту с высоты 1 м электродов диаметром менее 4 мм и с высоты 0,5 м электродов диаметром 4 мм и более покрытие не должно разрушаться. Влагостойкость покрытия проверяют погружением электрода в воду и выдержкой в течение 24 ч при температуре 15...25°С.

Для заполнения разделки шва в зону дуги вводят присадочный металл в виде прутка или проволоки. При ручной дуговой сварке применяют плавящиеся электроды в виде прутков или стержней с покрытием. При механизированной сварке используют электрод в виде проволоки, намотанной на кассету.

Стальная проволока, идущая на производство электродов или применяемая как сварочная проволока, изготовляется по ГОСТ 2246-70. Этот ГОСТ предусматривает марки и химический состав металла, размеры с допусками, технические требования, методы испытания, маркировку, упаковку, хранение и транспортирование. Изготовляют стальную холоднотянутую проволоку круглого сечения диаметрами 0,3; 0,5; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 8,0; 10,0 и 12,0 мм и поставляют в мотках (бухтах) из одного отреза. Проволока первых семи диаметров предназначена в основном для полуавтоматической и автоматической сварок в защитном газе. Для автоматической и полуавтоматической сварок под флюсом применяют проволоку диаметром 2...6 мм. Проволока диаметром 1,6...12,0 мм идет на изготовление стержней электродов. Поверхность проволоки должна быть гладкой, чистой, без окалины, ржавчины, грязи и масла.

В процессе сварки по мере перемещения дуги вслед ей перемещается сварочная ванна. При этом в задней части ванны происходит охлаждение расплавленного металла, который, затвердевая, образует сварной шов.

Кристаллизация металла сварочной ванны начинается у границы с нерасплавившимся основным металлом в зоне сплавления. Различают кристаллизацию первичную и вторичную. Первичной кристаллизацией называют процесс перехода металлов и сплавов из расплавленного (жидкого) состояния в твёрдое. У металлов, не имеющих аллотропических превращений, процесс затвердевания и охлаждения осуществляется только первичной кристаллизацией. У металлов и сплавов, имеющих аллотропические формы или модификации, после первичной кристаллизации при дальнейшем охлаждении происходит вторичная кристаллизация металла в твёрдом состоянии при переходе из одной аллотропической формы в другую (фазовые превращения) .

Под воздействием теплоты электрической дуги происходит расплавление кромок свариваемого изделия, электродного (или присадочного) металла, покрытия или флюса. При этом образуется сварочная ванна расплавленного металла, окружённая относительно холодным металлом иногда значительной толщины и покрытая слоем расплавленного шлака.

При сварке происходит взаимодействие расплавленного металла со шлаком, а также с выделяющимися газами и воздухом. Это взаимодействие начинается с момента образования капель металла электрода и продолжается до полного охлаждения наплавленного металла шва.

Большее применение получили, электроды из меди и её сплавов. Медь, обладая графитизирующей способностью, снижает общую твёрдость металла и уменьшает отбел чугуна. Хорошие результаты дают электроды марки МНЧ с покрытием основного типа. Стержень электрода изготовляют из проволоки типа НМЖМц-28-2,5-1,5 (монельметалл), а покрытие состоит из смеси, содержащей 55...60 % мела и 40...45 % графита. Применяют также покрытие, содержащее 45 % графита, 15 % кремнезёма, 20 % огнеупорной глины, 10 % соды и 10 % древесной золы. Сварку выполняют постоянным током обратной полярности. Рекомендуются электроды диаметром 3 мм при сварочном токе 90... 120 А. Сварку ведут возможно короткой дугой небольшими участками (20...25 мм). После сварки производят проковку металла шва.

Большая разница в усадке чугуна и стали не позволяет получить прочное сцепление между наплавленным и основным металлом при сварке стальными электродами. Поэтому таким способом сваривают швы, не работающие на растяжение или слабо нагруженные. Для повышения стойкости и снижения твёрдости металла шва уменьшают долю основного металла в металле шва, уменьшая глубину проплавления. Для этого сварку выполняют при малых сварочных токах электродами малого диаметра.

Для того чтобы металл в зоне сваренного шва имел структуру серого чугуна, применяют электродные стержни из низкоуглеродистой стали, с толстым графитизирующим покрытием, состоящим (%): из ферросилиция — 33, графита — 37, мела — 7 и натриевого жидкого стекла — 23. Однако полная графитизация происходит лишь при большом объёме наплавленного металла и при заварке крупных деталей (при малой скорости охлаждения металла шва).

Холодной сваркой чугуна принято называть сварку без предварительного нагрева. Её применяют тогда, когда трудно или экономически нецелесообразно производить сварку с предварительным подогревом из-за больших габаритов изделия, опасности коробления и возникновения больших внутренних напряжений. В практике применяют различные способы холодной сварки чугуна.

Горячей сваркой чугуна принято называть сварку чугунных изделий с предварительным их нагревом. Предварительный нагрев уменьшает разность температур основного металла и металла в зоне соединения и тем самым снижает температурные напряжения при сварке. Вместе с этим снижается скорость охлаждения сплава после сварки, что способствует предупреждению отбела и получению шва хорошего качества.

Чугуны представляют собой железоуглеродистые сплавы, в которых содержание углерода превышает 1,7%. Чугуны, применяемые в промышленности и строительстве, имеют обычно следующие примеси (%): углерода — 2,0...4,0, марганца — 0,5...1,6, кремния — 0,5...4, серы — 0,02...0,2 и фосфора — 0,02...0,2. Специальные чугуны имеют также различные легирующие примеси: никель, хром, медь, титан и алюминий.

Углерод в чугуне может находиться в виде карбида Fe₃C (первичный и вторичный цементит). Такой чугун, называемый белым чугуном, обладает повышенной твёрдостью и плохо поддается механической обработке. В сером чугуне углерод находится в свободном состоянии в виде прослоек графита и только частично может быть в виде вторичных карбидов (перлит).

Титан и его сплавы получили большое применение благодаря своим особым свойствам: малая плотность (4,5 г/см³); высокая температура плавления (1665°С); высокая коррозионная стойкость во многих агрессивных средах; высокая прочность. Высокое электрическое сопротивление и низкая теплопроводность создают условия, при которых для сварки затрачивается значительно меньше электроэнергии, чем при сварке алюминия и даже стали. Кроме того, титан маломагнитен и поэтому значительно снижается влияние магнитного дутья. Основной трудностью сварки титановых сплавов является большая химическая активность титана при высоких температурах к кислороду, азоту и водороду. Поэтому для получения качественных соединений при сварке необходима хорошая защита от взаимодействия с атмосферой не только сварочной ванны, но и всей зоны металла, нагретого свыше 500 °С.

Алюминий обладает малой плотностью, высокой тепло- и электропроводностью и малой прочностью. Он применяется как в чистом виде, так и в виде сплавов с марганцем (марки АМц), с магнием (типа АМг), кремнием (типа АК) и др. Сплавы алюминия обладают большей прочностью и поэтому получили применение как конструкционные материалы в промышленности и строительстве. Основные трудности сварки алюминия и его сплавов вызываются наличием на поверхности свариваемых кромок тугоплавкой оксидной плёнки (температура плавления 1050 °С), препятствующей сплавлению основного и присадочного металлов. Удаление оксидной пленки производят на практике тремя способами: механическим, (наждачным инструментом, металлической щеткой, шабрением); химическим (травлением, применением при сварке флюсов, содержащих фтористые и хлористые соли) и электрическим (сварка постоянным током обратной полярности или переменным током, катодное распыление).

Бронза — сплав меди с оловом, алюминием, кремнием, марганцем, цинком и свинцом. При сварке угольным электродом оловянистых бронз в качестве присадочного материала применяют прутки из сплава, содержащего меди 95...96 %, кремния — 3...4 %, фосфора — 0,25%. Флюс — прокаленная бура или борный шлак. При сварке специальных бронз применяют прутки, изготовленные из бронз свариваемых марок или близких им по химическому составу. Ток постоянный, прямой полярности. Сварку металлическим электродом фосфористой бронзы выполняют прутками следующего состава: олова — 10...12 %; фосфора — 0,15...0,45 %; остальное — медь. Для свинцовых бронз применяют прутки из сплава, содержащего (%): свинец — 21 олово — 8, цинк— 1,5, остальное — медь. Прутки покрывают различными защитными покрытиями. Ток постоянный, обратной полярности. При диаметре прутка 6...8 мм сварочный ток составляет 200...300 А. Рекомендуется предварительный подогрев свариваемых деталей до температуры 250...300 °С. Допускаете лёгкая проковка сварного шва для улучшения качества наплавленного металла.

Латунь — сплав меди с цинком — сваривают всеми способами, указанными для меди. Основное затруднение при сварке латуни связано с кипением и интенсивным испарением цинка, пары которого в воздухе образуют ядовитые оксиды.

При сварке латуни угольным электродом применяют присадочные прутки из латуни ЛМц-58-2 и флюс из молотого борного шлака или буры. Применяют также прутки из латуни типа ЛК, содержащей кроме меди и цинка еще и кремний.

Медь получила большое применение в технике благодаря высокой электро- и теплопроводностям, а также хорошей химической стойкости. При дуговой сварке меди следует учесть, что теплопроводность меди примерно в шесть раз больше теплопроводности железа. При температуре 500...600 °С медь приобретает хрупкость, а при 700...800 °С прочность меди настолько снижается, что уже при лёгких ударах образуются трещины. Плавится медь при температуре 1083°С.

Особенности сварки цветных металлов и их сплавов обусловлены физико-химическими и механическими свойствами. Температуры плавления и кипения цветных металлов относительно невысокие, поэтому при сварке легко получить перегрев и даже испарение металла. Если сваривают сплав металлов, то перегрев и испарение его составляющих может привести к образованию пор и изменению состава сплава. Способность цветных металлов и их сплавов легко окисляться с образованием тугоплавких оксидов значительно затрудняет процесс сварки, загрязняет сварочную ванну оксидами, снижает физико-механические свойства сварного шва. Ухудшению качества сварного соединения способствует также повышенная способность расплавленного металла (сплава) поглощать газы (кислород, азот, водород), что приводит к пористости металла шва.

Средне- и высоколегированные стали характеризуются особыми теплофизическими свойствами, которые существенно влияют на процесс сварки. Поэтому для получения сварного соединения хорошего качества с необходимыми свойствами разрабатывают специальные технологические меры, направленные на устранение причин, снижающих качество сварного шва.

Низколегированные стали получили широкое применение благодаря тому, что они, обладая повышенными механическими свойствами, позволяют изготовлять строительные конструкции более лёгкими, а отсюда и экономичными. Для изготовления различных строительных конструкций применяются стали марок 15ХСНД, 14Г2, 09Г2С, 10Г2С1, 16ГС и др. Для изготовления арматуры железобетонных конструкций и сварных труб применяют стали марок 18Г2С, 25Г2С, 25ГС и 20ХГ2Ц. Эти стали содержат углерода до 0,25 % и легирующих примесей до 3 %. Они относятся к категории удовлетворительно свариваемых сталей. Следует учитывать, что при содержании в стали углерода более 0,25 % возможно образование закалочных структур и даже трещин в зоне сварного шва. Кроме того, выгорание углерода вызывает образование пор в металле шва.

Легированные стали в зависимости от содержания в них легирующих компонентов подразделяют на низколегированные (с содержанием легирующих компонентов, кроме углерода, не более 2,5%); среднелегированные (с содержанием легирующих компонентов, кроме углерода, 2,5...10%) и высоколегированные (с содержанием легирующих компонентов, кроме углерода, свыше 10 %).

К материалам этой группы относятся сплавы, структура которых представлена полупроводниковой матрицей из антимонида индия InSb, армированной волокнами проводников Sb, CuSb, NiSb, MnSb, FeSb. Как следствие, электрическая проводимость сплава вдоль волокон проводников на порядок выше, чем по нормали к ним.

Эвтектические полупроводниковые сплавы применяют для изготовления бесконтактных переменных сопротивлений и переключателей электрических цепей. Их используют в детекторах излучения, для изготовления инфракрасных поляризующих устройств и т.п.

Эвтектические композиции па основе алюминия обладают повышенной удельной прочностью и низким электрическим сопротивлением. При этом наиболее известные сплавы систем AlAl₃Ni и Аl-СuАl₂ отличаются высокой термической стабильностью структуры до температуры 600 °С и хорошей технологичностью. Армирующая фаза Al₃Ni имеет волокнис-тую морфологию, а СuАl₂ - пластинчатую. Более хрупкой является пластинчатая эвтектика. Прочность эвтектических композиционных материалов на основе алюминия во многом зависит от скорости кристаллизации и ориентации армирующей фазы по отношению к направлению приложения внешней нагрузки.

Эвтектические композиционные материалы по своей природе относятся к сплавам эвтектического или близкого к эвтектическому состава, армирующей фазой в которых служат волокнистые или пластинчатые кристаллы эвтектической составляющей. Вследствие направленной кристаллизации расплава в материале естественным путём формируется микроструктура, отвечающая понятию композиционного материала. Она состоит из ориентированных определенным образом взаимопроникающих друг в друга фаз, одна из которых является матричной, а другая — армирующей. Именно поэтому эвтектические сплавы получили название естественных композиционных материалов, в которых прочность в большой степени зависит от объёмной доли и свойств направленно расположенной упрочняющей фазы; металлическая матрица служит средой для передачи нагрузки и обеспечения необходимой пластичности и вязкости.

Главным преимуществом материала на основе титана является то, что он имеет меньшую анизотропию свойств и, как следствие, обладает более высоким временным сопротивлением в направлениях по нормали и под углом к направлению армирования. Важное значение имеют также повышенная стойкость материала к ударам и высокое сопротивление эрозии. Наилучшее сочетание свойств и технологичности изготовления достигается в двух системах: титан — бор (борсик) и титан — бериллий.

Материалы с алюминиевой матрицей являются наиболее распространёнными конструкционными композитами. Они сочетают в себе высокие прочность и жёсткость, присущие армирующему веществу, с хорошей технологичностью и конструкционной надёжностью матрицы из алюминия и алюминиевых сплавов. Благодаря малой плотности обладают высокими удельными показателями.

В волокнистом композиционном материале металлическая матрица армирована высокопрочными волокнами, нитевидными кристаллами (усами), проволокой. Объёмная доля волокон, равномерно распределённых в пластичной матрице, может достигать 75% при строго лимитированном нижнем пределе. Различают минимальное и критическое объёмное содержание волокон: при минимальном прочность композита и его неупрочнённой матрицы одинаковы; при критическом происходит переход от множественного к единичному (в одном сечении) механизму разрушения композиционного материала. Конкретные значения этих показателей не имеют чётких границ и зависят от природы композиционного материала.

Композиционные материалы на основе никеля упрочняют оксидами тория (ВДУ-1) и гафния (ВДУ-2), а на основе нихрома (80% Ni и 20% Сr) — только оксидом тория (TD-нихром). Композиты на основе никеля и его сплавов обладают высокой жаропрочностью и стабильно работают при температурах выше 1000 °С. При такой температуре длительная прочность выше у материала с никелевой матрицей. При температуре ниже 800 °С более высокую прочность обеспечивает легированная матрица (TD-нихром). При замене оксида тория вследствие его токсичности оксидом гафния прочность и жаропрочность композиционного материала резко падают. Композиционный материал на основе кобальта, упрочнённый оксидом тория (2%), при температурах ниже 470 °С имеет более высокую прочность и пониженную пластичность по сравнению с материалом на никелевой основе; при высоких температурах различие в свойствах сокращается. Легирование кобальтовой матрицы никелем, хромом, молибденом, вольфрамом и цирконием обеспечивает дополнительное повышение свойств композита, что делает возможным его использование при температурах до 1100 °С.

Композиционные материалы на основе бериллия упрочняют двумя веществами — оксидом ВеО и карбидом Ве₂С. Композиционный материал из оксидированного порошка (система Be-ВеО) относится к разряду «естественно» упрочнённого, а материал, содержащий в качестве упрочняющей фазы карбид Ве₂С (система Be-Ве₂С), — «искусственно» упрочнённого. Независимо от природы дисперсных частиц эффективность упрочнения композиционных материалов на основе бериллия возрастает по мере повышения температуры. Отличительный признак композита на основе бериллия — высокий коэффициент рассеяния нейтронов.

Основной упрочняющей фазой в материале на основе алюминия и его сплавов являются оксиды Аl₂O₃. Концентрация оксидов в наиболее известном композиционном материале марки САП (спеченный алюминиевый порошок) составляет 6-9% (САП-1), 9-13% (САП-2) и 13-17% (САП-3). Зарубежными аналогами композиционного материала данного типа являются: САП-1 — SAP-930; САП-2 — SAP-895 и САП-3 — SAP-865.

В дисперсно-упрочнённом композиционном материале матрица из металла или сплава упрочняется искусственно введенными мелкодисперсными частицами. Одновременное повышение прочности и надёжности материала данного типа достигается за счет формирования определенного структурного состояния, при котором эффективное торможение равномерно распределенных в объеме матрицы дислокаций сочетается с сохранением их подвижности при скоплении у барьеров, что предотвращает хрупкое разрушение.

Композиционный материал представляет собой сложную систему, образованную двумя или более компонентами, в которой целенаправленно сочетаются ценные индивидуальные качества различных по своей природе составляющих — матрицы и упрочняющего и (или) армирующего компонентов. Матрицей называется компонент, непрерывный в объёме всей композиции. Упрочняющие и армирующие компоненты распределены в матрице композиционного материала дискретно.