Газовая пайка и наплавка — основы

ГАЗОПЛАМЕННАЯ ПАЙКА. МЯГКИЕ И ТВЕРДЫЕ ПРИПОИ

НАПЛАВКА ПОВЕРХНОСТЕЙ ИНОРОДНЫМИ СПЛАВАМИ

ГАЗОПЛАМЕННАЯ ПАЙКА. МЯГКИЕ И ТВЕРДЫЕ ПРИПОИ

Пайкой называется технологический процесс получения неразъемных соединений, выполняемый с использованием металла или сплава-припоя, имеющего температуру плавления меньшую, чем температура плавления спаиваемого металла. В результате взаимодействия расплавленного припоя с кромками основного металла и последующего остывания образуется спай. При этом припой может механически внедряться между зернами основного металла (рис. 64, а), или, кроме того, внедрению может сопутствовать образование промежуточного слоя твердых растворов (составляющих припоя и основного металла) или их химических соединений (рис. 64, б).

Свойства паяного соединения определяются свойствами литого припоя, промежуточного слоя и свойствами основного металла, подвергнутого термическому воздействию при пайке.

Свойства литого припоя и основного металла могут быть легко оценены на основании общих сведений об этих металлах.

Свойства промежуточного слоя определяются свойствами припоя и спаиваемого металла, температурой и временем их взаимодействия, величиной и чистотой поверхностей взаимодействия и пр. Поэтому качество спаев получается различным в зависимости от применяемых комбинаций основного металла-припоя и режимов пайки.

В результате диффузионного проникновения составляющих основного металла в припой последний может изменять свои свойства. Эффективность такого изменения свойств припоя зависит также и от толщины его слоя, подвергавшегося изменению в результате взаимодействия с основным металлом, т. е. от величины зазора, заполняемого припоем. На рис. 65 показана такая зависимость при пайке сталей медью.

Однако не всегда можно обеспечить при пайке сохранение такого начального зазора, который позволит увеличить механическую прочность. Кроме того, приходится учитывать и проникаемость припоя в технологические зазоры. Поступление припоя в зазоры облегчается улучшением смачиваемости расплавленным припоем кромок основного металла при температуре пайки и уменьшением поверхностного натяжения припоя. Кроме того, следует учитывать действие силы тяжести (т. е. будет ли припой опускаться или подниматься по зазору при пайке).

Смачиваемость кромок зависит от их чистоты, в частности от наличия или отсутствия на них окислов. В связи с этим следует производить очистку кромок как предварительно (механическими способами или травлением), так и в процессе пайки восстановлением или ошлаковыванием окислов. Улучшение смачиваемости достигается также применением флюсов. В некоторой степени флюсы влияют и на поверхностное натяжение припоев.

В качестве флюсов при пайке используются смеси легкоплавких солей или окислов (температура плавления этих смесей должна быть ниже температуры плавления припоя) или газы (водород при пайке стали медью в печах; боросодержащие пары, вводимые в пламя при пайке сплавов на медной основе).

В технике применяется большое количество разнообразных припоев в зависимости от спаиваемых металлов и назначения паяных соединений. Важнейшей характеристикой припоев является их температура плавления. Примерные температуры плавления припоев на основе различных металлов представлены на рис. 66.

Припои классифицируются как мягкие и твердые. Мягкими припоями называются такие, температура плавления которых значительно ниже температуры плавления спаиваемого металла. Если температура плавления припоя достаточно высока (иногда сопоставима с температурой плавления спаиваемого металла), то такие припои называются твердыми. В практике мягкими припоями обычно называют припои с температурой плавления ниже 450° С, а твердыми — припои с температурой плавления выше 450° С.

Твердые припои могут обеспечивать прочность стыковых соединений σ_в = 30-50 кгс/мм², мягкие — σ_в 10 кгс/мм².

Наиболее распространенными мягкими припоями для сплавов на основе железа и меди являются оловянисто-свинцовые с добавками сурьмы (ПОС). Пайка этими припоями производится с применением различных источников тепла, обеспечивающих необходимый для выполнения пайки — нагрев кромок до температуры не ниже температуры плавления припоя (паяльников, паяльных ламп и др.).

Перед пайкой оловянисто-свинцовыми припоями кромки очищаются травленой соляной кислотой; в качестве флюсов применяются канифоль и хлористый цинк. Цинковые и цинко-оловянистые припои с добавками применяются для пайки алюминия. Состав таких припоев следующий:

1) 94-96% Zn и 6-4% А1;

2) 50% Zn, 45% Sn и 5% Al;

3) 70-78% Zn, 20-25% Sn и 2-6% Al.

В качестве флюсов при этом используются нашатырь или составы, содержащие хлористый цинк (85-90%) с добавками фтористого натрия и хлористого аммония. Такие паяные соединения обладают пониженной коррозионной стойкостью при наличии влаги.

Значительно большие возможности технического применения имеет пайка твердыми припоями, причем ряд сварных соединений может быть заменен паяными. В некоторых случаях пайка твердыми припоями обеспечивает возможность получения лучших свойств соединений, чем сварка, например, когда:

1) основной металл, нагреваемый до сварочных температур, резко ухудшает свои свойства (ковкий чугун, некоторые марки специальных сталей и т. п.);

2) необходимо соединить разнородные металлы, сплавы которых обладают низкими свойствами (сталь и медь, чугун и сталь);

3) при сварке присадочным металлом, аналогичным основному, получаются низкие свойства соединений (например, при сварке горелого чугуна);

4) при сварке получаются недопустимые деформации, а применение пайки удовлетворяет требованиям к соединению и дает меньшие деформации.

Пайка иногда обеспечивает большую экономичность. Так, например, при ремонте пайкой чугунных изделий исключается их общий нагрев, необходимый при сварке; соединение медных деталей может быть выполнено пайкой быстрее и экономичнее, чем сваркой.

Твердыми припоями, обеспечивающими соединения с хорошими свойствами для ряда металлов и сплавов (сталей, включая высоколегированные, никеля, меди и на ее основе сплавов, серебра), являются серебряные (ПСр), имеющие температуру плавления от 725 до 850° С.

Для пайки серебряными припоями большинства сплавов в качестве флюсов применяются плавленая бура или смеси буры с борной кислотой. Для пайки высокохромистых сталей применяется флюс состава: 53% борной Кислоты и 47% фтористого калия. Иногда к этому составу добавляется в количестве 10% плавиковая кислота.

Хорошими качествами обладает и припой состава: 80% Сu, 15% А1 и 5% Р. Температура плавления его около 650-680° С. Этот припой в связи с наличием фосфора является самофлюсующимся и не требует применения флюсов. Однако присутствие фосфора не позволяет применять его для пайки сплавов на железной основе, так как при этом образуются хрупкие прослойки на границе припоя с основным металлом.

Более дешевыми припоями являются меднофосфористые припои с содержанием фосфора около 8%, применяющиеся для пайки меди и сплавов на медной основе.

Довольно широко применяются медно-цинковые припои. Однако припои ПМЦ  обладают плохими технологическими свойствами (кроме ПМЦ 51) и в качестве припоев применяются латуни (например, Л62) или специальные сплавы (например, ЛОК 59-1-0,3). Припой ЛОК 59-1-0,3 дает хорошие результаты при пайке чугуна и высоколегированных сталей (рис. 67).

Иногда применяются и специальные припои, например для пайки жаропрочных сталей, для припайки пластин твердого сплава к резцам (припои на основе Ni-Си и Ni-Сu-Мn). При низких требованиях к соединению стальных деталей некоторые заводы в качестве припоя используют высокофосфористый чугун.

Для пайки алюминия и его сплавов С. Н. Лоцмановым разработан ряд припоев и флюсов, из которых наибольшее распространение получил припой 34А (25-30% Сu, 4-7% Si, остальное А1) и флюс 34А (25-35% LiCl, 8-15% ZnCl₂, 12-18% NaF, остальное КС1). Температура плавления припоя 34А составляет около 525° С. Паяные соединения, как правило, лучше работают на срез, чем на растяжение. Характерные типы паяных соединений показаны на рис. 68.

В тех случаях, когда определяющей прочность паяного соединения является зона перехода от припоя к основному металлу, поверхность этой зоны иногда дополнительно увеличивают посредством ее зазубривания.

При пайке газовым пламенем в качестве горючих применяются ацетилен, а также газы — заменители ацетилена и жидкие горючие — бензин и керосин. В качестве аппаратуры для пайки могут применяться обычные горелки, однако лучшие результаты дают специализированные горелки, имеющие сетчатые мундштуки.

Техника пламенной пайки подготовленного соединения сводится к нагреву кромок (до температуры плавления флюса, если пайка производится без газового флюсования и несамофлюсующимися припоями), введению и расплавлению флюса, дальнейшему нагреву до температуры плавления припоя, введению и расплавлению припоя с проверкой его растекаемости и проникания в зазор и охлаждению соединения отводом источника тепла.

Пайку мелких деталей лучше вести так, чтобы все предварительные стадии подготавливали возможность единовременным вводом припоя выполнить пайку всего соединения в один прием. При длинных швах выполнение пайки осуществляется участками.

В случае пайки серого чугуна перед вводом флюса предварительно необходимо выжечь окислительным пламенем с поверхности металла графитовые включения, а перед заполнением шва припоем произвести облуживание кромок, т. е. после обработки их флюсом нанести первоначально тонкий слой припоя, используя притирающие движения припоя по нагретым до температуры его плавления кромкам основного металла. Затем вся разделка заполняется припоем как при сварке.

НАПЛАВКА ПОВЕРХНОСТЕЙ ИНОРОДНЫМИ СПЛАВАМИ

В ряде случаев, в связи с особенностями эксплуатации различных деталей, к поверхностному слою металла предъявляются совершенно особые требования (повышенная коррозионная стойкость, сопротивляемость истиранию и пр.) по сравнению с основной частью этой же детали. Весьма эффективным способом решения подобной задачи является наплавка на поверхность детали (обычно стальной) сплава, отвечающего по своим свойствам требованиям к поверхности. В общем случае может иметь место наплавка из цветных металлов — меди, латуни, бронзы — или получение слоя высокой твердости нанесением специальных твердых сплавов, легированных сталей и чугуна. Наплавка цветных металлов на сталь и чугун применяется в различных деталях, в химической аппаратуре, на рабочих зеркалах, на поверхности уплотнения и пр.

По своей сущности этот процесс наплавки должен обеспечивать соединение основного металла с наплавленным, соответствующее пайке твердыми припоями. В процессе наплавки в ряде случаев происходит значительное расплавление основного металла, в связи с чем в первом слое образуется промежуточный состав, часто нё отвечающий техническим требованиям к поверхности. В этом случае приходится применять наплавку в два и более слоев.

Иногда возникает необходимость получения значительной толщины поверхностного слоя (2-8 мм), что обусловливает увеличение количества тепла, вводимого в деталь при наплавке. Это приводит к большим напряжениям и деформациям, вызываемым местным нагревом деталей, чем при пайке твердыми припоями. В результате их воздействия по промежуточному слою между основным и наплавленным металлом может происходить расслоение.

Для наплавки меди и сплавов на ее основе на стальные и чугунные детали применяется газопламенная и электродуговая наплавка, а также наплавка по способу разделенного нагрева (акад. В. П. Никитина) при различных комбинациях источников нагрева.

При газовой наплавке легче регулировать степень нагрева основного и присадочного металла. Это позволяет избежать слишком большого расплавления основного металла и его перемешивания с наплавленным, что является, как правило, желательным. Основным недостатком газовой наплавки является низкая произ

водительность и большие затраты газов при наплавке крупногабаритных деталей. Поэтому такая наплавка применяется главным образом для деталей относительно небольших размеров.

При газопламенной наплавке на предварительно подготовленную (зачищенную) поверхность направляют пламя для создания подогрева выше температуры плавления наплавляемого металла, но не доводят основной металл до расплавления. Затем, расплавляя присадку, наплавляют металл, добиваясь его растекания по нагретой поверхности. Для очистки нагретой поверхности от окислов обычно применяют флюсы, как при сварке и пайке.

Некоторые сплавы на медной основе дают со сталью плохое сцепление из-за образования хрупких прослоек (например, сталь со сплавами, содержащими кремний, фосфор). В этом случае имеет место промежуточный процесс — облуживание поверхности, причем оно не всегда производится тем же сплавом, каким выполняется наплавка.

Наплавка меди и ряда марок латуни на сталь дает достаточно хорошие результаты. Микроструктуры наплавки меди и латуни на сталь приведены на рис. 69. Иногда в наплавленном слое, особенно при перегреве основного металла, имеют место включения зерен основного металла, в ряде случаев недопустимые по техническим требованиям к наплавке.

При наплавке сплавов на медной основе на сталь обычно применяется нормальная регулировка пламени, однако при наплавке латунью, особенно второго или последующих слоев, пламя регулируется с избытком кислорода. Мощность пламени подбирается в соответствии с размерами наплавляемой детали. Флюсы применяются те же, что и для сварки меди и сплавов на ее основе. Наплавка, как правило, выполняется в нижнем положении. Производительность наплавки при мощности пламени около 1200 л/ч составляет 500-700 г/ч.

При наплавке латуней на черные металлы, как правило, требуется применение флюсов, причем технологически наиболее бла гоприятные условия создает газофлюсовая наплавка с применением флюса БМ-1. При этом активность флюса и его непрерывная подача в пламя позволяет осуществлять наплавку при нагреве поверхности наплавляемой детали около 800-850° С.

Обычно наплавка производится левым способом в нижнем положении, хотя при необходимости получения более толстого слоя наплавки применяют наклон изделия с выполнением наплавки снизу вверх.

При наплавке латуни Л62 с флюсом БМ-1 на углеродистую сталь прочность соединения на отрыв составляет около 33 кгс/мм², и оно выдерживает без отслаивания загиб на 180°. Однако следует отметить, что при газопламенной наплавке меди на сталь в основном металле часто образуются значительные трещины, что не позволяет этот способ рекомендовать для изготовления ответственных деталей.

Твердые сплавы имеют весьма разнообразное применение. Так, сплавленно-спеченные твердые сплавы, изготовляемые в основном из тугоплавких карбидов вольфрама с добавками кобальта, никеля и железа, используются в виде пластинок для припайки к инструментам. Из этих сплавов широко применяется победит (80-85% W, 5-6% С, 7,8-8,0% Со, 1,8-2%Мо, остальное Fe). Иногда вместо пайки применяется приварка пластинок к державкам газовой сваркой мягкой стальной проволокой.

Широко применяются для наплавки поверхностей, работающих на истирание, порошкообразные твердые сплавы, изготовляемые в виде крупки. Из этих сплавов в применяются: висхом и сталинит (-55% Fe, 11-12% Сг, 16-17% Мn, 1,8-2% Si, 12-13% С). Обычно эти сплавы наплавляют электрической дугой угольным электродом, так как газосварочное пламя сдувает зерна.

Широко используются при газовой наплавке литые твердые сплавы и трубчатые присадки. Литые твердые сплавы для наплавки изготовляются в виде прутков диаметром 5-8 мм, которые отливаются в металлические кокили.

Для деталей, работающих в условиях высоких температур, для наплавки применяются стеллиты (В2К, ВЗК), представляющие собой карбиды вольфрама и молибдена, связанные кобальтом и железом. Состав стеллита В2К: 13-17% W, 27-33% Сг, 1% Мn, < 2% Ni, 47-53% Со, < 2% Fe, 1-2% Si, 1,8-2,5% С. Стеллит ВЗК имеет меньше вольфрама (4,0-5,0%), больше кремния (до 2,5%) и кобальта (58-62%).

Для деталей, работающих при нормальных и несколько повышенных температурах, наплавка осуществляется сормайтами — высокохромистыми чугунами. Заэвтектический чугун — сормайт № 1 содержит 25-31% Сг и около 3,0% С, а доэвтектический — сормайт № 2 — 13,5-17,5% Сг и ~2%С. Сормайт № 2 менее хрупок, после отжига может подвергаться обработке резцом с последующей закалкой.

Наплавляемые поверхности тщательно зачищаются, детали перед наплавкой предварительно подогреваются до 500-700° С для уменьшения короблений и предотвращения образования трещин. Наплавку ведут в нижнем положении пламенем с небольшим избытком ацетилена. В результате некоторого науглероживания поверхности металла детали на ней появляется тонкая пленка расплавленного металла, с которой и сплавляется наплавляемый металл присадочного стержня, растекаясь по разогретому участку наплавляемой поверхности. Для обеспечения надлежащих свойств наплавляемого слоя необходимо максимально ограничивать глубину проплавления, не допуская ее более 0,3-0,5 мм.

Для очистки металла от окислов, получающихся в результате контакта нагретой поверхности с газами, содержащими кислород, в ряде случаев применяется флюсование бурой или другими флюсами:

1) бура прокаленная 20%, борная кислота 68%, плавиковый шпат 12% (для наплавки стеллитов);

2) бура 50%, двууглекислая сода 47%, кремнезем 3% (для наплавки сормайтов).

После наплавки на чугун или инструментальную сталь деталь подвергают медленному охлаждению в песке.

Аналогично выполняется наплавка и трубчатой присадкой, представляющей собой железную ленту толщиной около 0,5 мм, свернутую в трубку диаметром 5-6 мм, внутренняя полость которой заполняется крупкой карбидов вольфрама (прутки ТЗ). При правильно выполненной такой присадкой наплавке она имеет твердость HRC около 85.

Автор: Администрация