HomeСварка стали › Лечение стали и сплавов

Лечение стали и сплавов

Лечение стали и сплавовИногда на городских улицах около трамвайных рельсов можно увидеть людей с щитками и электродо-держателями. И вы уже можете догадаться, что это сварщики. Голубая дуга, вспыхнувшая над самым рельсом, подтверждает ваше  мнение. Вот только сварщики эти не занимаются сваркой и электрод не направлен на стык между рельсами.

 

Ловко манипулируя, сварщик «разносит» капли расплавленного металла по поверхности рельса. И там, где металл стерся, вырастает новый слой. За одну-две минуты, просто в перерыве между движениями трамваев удается восстановить стыки рельсов, стрелки, крестовины. Отпадает сложная работа по замене рельсов, экономится металл.

 

Наплавка. Так называется работа, которую выполнили сварщики, ремонтируя трамвайный путь. Ее основные элементы почти не отличаются от сварки. Вот только цель, задачи и, естественно, результаты другие. Как известно, при сварке соединяют несколько деталей между собой или заваривают трещину, а при наплавке металл наливают на поверхность детали, наращивают, увеличивают толщину или другой размер.

 

Причем слой нового металла прочно соединяется с основой. Это как раз, что нужно для ремонта, восстановления стершихся поверхностей. Но не только для этого нужна наплавка. Еще в глубокой древности кузнецы использовали сварку (а можно сказать, и «наварку», «наплавку») для соединения мягкого железа и твердой стали при изготовлении самозатачивающихся плугов и мечей.

 

Этим приемом достигались две важные цели: улучшались свойства изделия (вопреки природе удавалось совместить в одном изделии вязкость и высокую прочность), снижался расход дорогостоящей стали. Сейчас эти цели приобрели еще большее значение.

 

Интенсификация производства, увеличение скоростей, давлений и температур — важнейшие требования научно-технического прогресса. И чем дальше идут специалисты по этому пути, тем серьезнее препятствия приходится преодолевать. Одно из них — недостаточная стойкость узлов машин и оборудования. Например, недостаточная стойкость против трения деталей вызывает простои оборудования, понижение режимов его эксплуатации, является причиной брака.

 

Иногда износ или коррозия приводят и к еще худшим последствиям — авариям в промышленности и на транспорте, загрязнению окружающей среды (в результате утечки газов, нефтепродуктов, кислот и т. п.). Конечно, принимаются все меры к тому, чтобы не допускать критических ситуаций. Но цена мер еще высока. Так, на изготовление запасных частей для автомобилей и сельскохозяйственной техники сейчас расходуется столько же металла, сколько и на производство новых машин.

 

Каждая шестая доменная печь в мире работает только для того, чтобы возместить потери металла от коррозии. К этому можно добавить и недополучение продукции в период ремонта и затраты труда на сам ремонт и многое другое. Естественно, что специалисты не мирятся с таким положением и находят пути улучшения качества машин и оборудования. Самый старый путь, можно сказать, традиционный — делать детали и даже целые аппараты, работающие в сложных условиях, полностью из специальных материалов.

 

Так, аппараты для производства кислот, баки для их хранения и цистерны для перевозки делают из хромоникелевых (нержавеющих) сталей и чистого алюминия. Еще лучше выдерживают коррозию титан и его сплавы. Элементы турбин изготавливают из жаропрочных сплавов, в состав которых кроме железа входят вольфрам, молибден, хром, ванадий.

 

Легирующие элементы в сплавах Они рассеяны по всему объему, однако очень часто полезную работу выполняют только в поверхностных слоях деталей. К тому же почти все они дефицитны и дороги. А с точки зрения технологов (литейщиков, кузнецов, токарей» сварщиков), многие из специальных сплавов относятся к разряду труднообрабатываемых. Но и это не все.

 

Условия работы машин настолько усложняются, что иногда детали не могут работать, несмотря на то что они сделаны из самых сложнолегиро-ванных сплавов. Таким образом, объемное легирование имеет множество серьезных недостатков.

 

Комбинированный материал, сочетающий несколько несовместимых свойств. Это современный путь борьбы с коррозией, износом и другими последствиями воздействия среды и нагрузок.

 

Бывает так, что какой-нибудь поршень или клапан с одной стороны истирается, с другой — перегревается, с третьей — подвергается ударам, с четвертой — оказывается в агрессивной среде, с пятой… Не предусмотрела природа такого универсального материала, который смог бы выдержать все это.

 

Но сварщики исправили это положение. Правда, достигается это непросто. Зачастую наплавить труднее, чем сварить, потому что сваривают заготовки — части одной детали. И заготовить эту деталь можно из удобных для сварки частей. А наплавлять приходится уже законченную деталь, имеющую свою сложную форму.

 

Да и одно требование есть к наплавленному шву — очень особенное и серьезное: не перемешиваться с основным металлом, потому что свойства разбавленного металла будут отличаться от запланированных. Так, например, при наплавке на обычную углеродистую сталь слоя нержавеющей стали нельзя допустить, чтобы в наплавленный шов попало много углерода или железа из основы, иначе защитный слой получится ржавеющим.

 

Но при этом наплавленный слой должен прочно соединяться с основным металлом и не отрываться при ударах, нагреве, трении и при других воздействиях, вызванных условиями эксплуатации. Вот тут-то и возникают научные трудности. Впрочем, это не единственная технологическая задача. Есть, например, и такая: максимальная ширина шва. Если при сварке шов должен быть как можно уже, то при наплавке, наоборот, как можно шире, а еще лучше — сразу на всю ширину наплавляемой поверхности.

 

Для этого разработано несколько приемов. Самый первый и естественный — колебание электрода, как бы размазывание металла по поверхности. Хороший эффект обеспечивается дуговой наплавкой ленточным электродом. Разработана и электрошлаковая наплавка, и наплавка с нагревом токами высокой частоты, существуют несколько вариантов плазменной наплавки.

 

Дуговая и плазменная технологии. Они наиболее универсальны и наиболее пригодны как для ремонта, так и для изготовления изделий сложной формы. Наплавленные слои могут выдерживать экстремальные нагрузки. Поэтому и занимаются наплав-щики деталями металлургического оборудования, такими, как многотонные валки прокатных станов или конуса засыпных аппаратов. Крупная раскаленная болванка медленно втягивается в прокатный стан.

 

С неимоверным усилием цилиндры-валки сжимают ее, вытягивают в ленту и с большой скоростью выбрасывают через несколько сот метров с другого конца стана. Огромные сжимающие усилия, создаваемые валками, оборачиваются для них усиленным износом. Помогает разрушению валков и тепловой поток от прокатываемого металла. Но дефекты на поверхности валков недопустимы.

 

Иначе тысячи тонн ленты, уголка, другого проката будут забракованы. Пропадает труд горняков, металлургов, машиностроителей…

Не в лучших условиях приходится работать засыпным аппаратам доменных печей. Печь — огромный цилиндр, в котором горит кокс, превращая руду и различные присадки в жидкий чугун, — закрывается огромной крышкой.

 

Эта крышка в виде перевернутого конуса плотно входит в чашу — обод наверху домны. Она сдерживает раскаленные газы и пыль, не дает им вырваться наружу, попасть в атмосферу. Для того чтобы обеспечить нормальную, безопасную работу прокатных станов, домен, прессов и другого оборудования, и существует наплавка — технология ремонта и улучшения качества ответственных деталей.

 

Но кроме наплавки сварщики работают и еще над одним методом — напылением. Методы термического напыления покрытий получают в последние годы широкое распространение. Плазменное, газо-пламенное, лазерное, детонационное напыление, электродуговая металлизация объединены общим принципом. Защитный слой формируется из отдельных (дискретных) частиц материала, нагретых и движущихся к напыляемой поверхности. Нагрев и движение этих частиц обеспечиваются уже знакомыми сварщикам источниками энергии.

 

Таким способом можно покрывать металлы, керамику, пластмассы и даже дерево. А само покрытие может быть и самым тугоплавким (карбиды и оксиды), и таким легкоплавким, как пластмасса, потому что нагревом основы детали и частиц можно управлять, не допуская сильного термического воздействия. Толщина напыленного слоя может колебаться от нескольких микрометров до десятков миллиметров.

 

Процесс плазменного напыления покрытий из по-Мы выбрали его в качестве примера. Схему процесса легко представить, вспомнив схему плазменной сварки. Для напыления, так же как и для сварки, нужен плазмотрон, в сопле которого сжимается дуга. Только теперь один из проводов от источника тока (от положительной клеммы) подключен к соплу (аноду). Дуга горит между электродом и соплом, и ее факел выдувается, нагревая деталь.

 

Вместо присадочной проволоки в дугу подается порошок. Порошок можно подавать и в канал сопла, и за соплом вблизи поверхности детали, в зависимости от его свойств и требований, предъявляемых к покрытиям.

 

Конечно, исследователям, конструкторам, изобретателям пришлось немало поработать, прежде чем удалось создать удовлетворительную технологию и аппаратуру. Были решены и обычные и не совсем привычные задачи, такие, как получение слоя одинаковой толщины на всей поверхности, минимальные потери порошка и т. п.

 

Потокам газов и жидкостей, несущим твердые частицы песка, угля, шлаков, противостоят покрытия из кобальтовых сплавов, оксидов хрома и алюминия, предохраняя от износа детали вытяжных вентиляторов, пылесборники циклонов, предохранительные клапаны и т. п. Для защиты от разрушения при высоких температурах в газовых средах таких деталей, как выхлопные трубы, обечайки обжиговых печей, поршней и камер сгорания дизелей, сопел ракет, применяют покрытия из оксидов алюминия, магния и кальция, диоксиды циркония и др.

 

 Его удалось использовать для получения самых сложных и самых тонких покрытий. Конечно, в этом не должно быть ничего удивительного. Электроны, с огромной энергией бомбардирующие вещество, способны не только плавить (как при сварке), но и испарять его буквально по атомам. Остается только расположить на пути испаряющегося потока деталь, и она покроется конденсирующимся веществом.

 

Для практической реализации этих теоретических положений много пришлось поработать сотрудникам Института электросварки им. Е. О. Патона, коллективам других организаций. Была освоена вакуумная техника и созданы специальные источники тока, электроннолучевые пушки, изучены свойства многих материалов.

 

Современные электроннолучевые испарители производят до 25 кг металлического пара в час, который конденсируется со скоростью до 60 мкм/мин. А испарить можно любые металлы и тугоплавкие неметаллические (оксиды, бориды, карбиды) материалы. Паровые потоки разных материалов можно направлять в одно и то же место, получать послойное напыление или сразу многокомпактное. Зачем это нужно?

 

Мир металла, в котором мы живем, прочен и надежен. Казалось бы, что может быть крепче стали? Но, к сожалению, случаются еще аварии, иногда с серьезными последствиями. И когда специалисты начинают разбираться в причинах, часто обнаруживается, что подвели дефекты в металле. Трудность состоит в том, что дефекты в деталях не всегда заметны, и поэтому, как и при других заболеваниях, нужна диагностика.

 

Это понятие объединяет способы контроля с помощью проникающих излучений. В рентгеновском кабинете каждый бывал не раз. Невидимые лучи, вырывающиеся из рентгеновской трубки, пронзают насквозь контролируемый объект и оставляют на фотопленке его отпечаток. Если просветить несколько брусков железа разной толщины, то на снимке будут видны прямоугольники различной яркости.

 

Самый светлый — это след от наиболее толстого бруска. Самый тонкий брусок будет выглядеть в виде темного прямоугольника. Трещина, раковина или шлаковое включение оставят след в виде темной полоски или пятна на светлом фоне. Однако не все так просто и ясно, как может показаться на первый взгляд. Например, как определить глубину залегания дефекта?

 

Эти и многие другие сложные технические вопросы сварщикам и специалистам по дефектоскопии уже удалось решить. Во многих случаях разработаны очень интересные методы. Так, чтобы проверить кольцевой шов трубопровода, лучше всего поместить источник излучения вовнутрь, а снаружи шов обмотать пленкой. Получится развертка шва со всеми его неровностями и дефектами.

 

А когда доступа вовнутрь нет, источник помещают, естественно, снаружи, но не в плоскости шва, а сбоку. Косые лучи не засвечивают верхнюю часть пленки, а, проходя через всю трубу, оставляют отпечаток только нижнего участка. При этом источник излучения необходимо плавно перемещать вокруг трубы.

 

Для интроскопии используют и другие виды проникающих излучений: гамма-лучи и нейтронные потоки, ультразвуковые колебания, магнитные поля, радиоволны, тепловые излучения. Есть еще и другие методы.

 

Так, для проверки плотности сварных швов в магистральных газопроводах разработан метод, основанный на обнаружении влаги. Специальные электрические датчики перемещают вдоль сварных швов. Если в металле имеются трещины, в них после гидроиспытаний остается влага. Электропроводность в таких местах изменяется, что автоматически регистрируется.

 

Информацию о состоянии металла получают также с помощью голографии, которая сразу делает видимыми многие дефекты. В труднодоступные места «посылают» радиоактивные вещества. С начала 50-х гг. появились в промышленности искусственные радиоактивные препараты — радиоактивные изотопы кобальт-60, це-зий-137, иридий-192, иттербий-169, селен-75 и др., которые являются хорошими источниками излучения.

 

При решении производственных задач учитываются особенности каждого источника: например, для просвечивания стали толщиной 15-20 мм используется тулий-170, для металла толщиной 60 мм — кобальт-60.

 

Конечно, лучи, пробивающие такие толщи металла, опасны для организма человека. Поэтому ампулу с изотопом всегда хранят и транспортируют в свинцовых контейнерах. А для просвечивания созданы гамма-дефектоскопы. Управляются такие аппараты дистанционно, ампула из контейнера подается к месту исследования по шлангу (человек может находиться во время работы на безопасном расстоянии).

 

Гамма-лучи, пройдя сквозь металлы, оставляют следы на фотопленке или бумаге. Если же нужно получить информацию быстрее, используют электронно-оптические преобразователи и монокристаллические экраны. Скрытое радиационное (или рентгеновское) изображение дефектов в металле преобразуется в электронное, усиливается. С помощью телевизионных систем оно может быть передано на любое расстояние, и оператор примет меры к их устранению.

 

При автоматической сварке можно вести просвечивание прямо за сварочной ванной. Плотность потока преобразуется в электрический сигнал. Если величина этого сигнала изменится, появится непровар. Далее сигнал сравнивается с эталонным и преобразуется в команду, подаваемую на сварочный аппарат. Изменяется сила тока, скорость сварки или другой параметр режима, от которого зависит качество шва.

 

Радиометрические датчики перспективны для управления процессом сварки. Они не прикасаются к сварному шву, не мешают процессу. Излучение можно использовать и для ориентации (направления) сварочной головки вдоль линии сварки.

 

Качество материалов, изделий и сварных соединений иногда зависит даже от микродефектов — трещинок и поринок размером с отдельную молекулу. И для их контроля разработаны соответствующие методы. Метод электронно-позитронной аннигиляции наиболее перспективен. Основан он на использовании радиоактивных изотопов натрия и меди. Позитроны, которые они генерируют, проникают в поверхностный слой используемого образца.

 

Там, сталкиваясь с атомами, позитрон теряет свою первоначальную энергию и замедляется до тепловых скоростей. Происходит это в течение 10\»12 с. А по истечении промежутка времени 10\»10 с аннигилируют позитроны и электроны. Возникают два гамма-кванта. Известны законы, по которым должны образовываться фотоны. И если имеются дефекты (хотя бы микроскопическая поринка), график распределения по частоте, по импульсам тока существенно изменяется.

Article Global Facebook Twitter Myspace Friendfeed Technorati del.icio.us Digg Google StumbleUpon Eli Pets

Comments are closed.