Проблемы экономии материальных ресурсов в промышленности и других областях народного хозяйства напрямую связаны с износостойкостью деталей машин, инструмента и оборудования. Большой потенциал в повышении эксплуатационных свойств интенсивно изнашивающихся под влиянием абразивной среды деталей нефтегазодобывающей, дорожно-строительной, горнорудной и другой техники заложен в использовании эффективных процессов электрошлаковой наплавки (ЭШН) износостойкими сплавами. Мягкий термодеформационный цикл ЭШН позволяет получить хорошо металлургически обработанный металл с улучшенными сварочно-технологическими свойствами. ЭШН обеспечивает качественное формирование наплавленного металла с минимальной долей участия в нем металла изделия, что позволяет получить прогнозируемые эксплуатационные свойства покрытия уже в первом слое наплавки.

Вместе с тем возможности различных способов ЭШН с использованием кристаллизаторов сравнительно ограничены минимально допустимой толщиной слоя наплавленного металла (не менее 15-20 мм). Для производства биметаллических изделий с тонким (до 5 мм) износостойким покрытием преимущественно применяется электрошлаковая наплавка лентами со свободным формированием наплавленного металла. Обладая рядом преимуществ, этот процесс имеет недостатки, связанные с негативным влиянием магнитных полей на гидравлические течения расплава в сварочной ванне, что приводит к снижению качества износостойкого металла.

Рисунок 1 - Кристаллизатор для ЭШН плоских поверхностей изделий

Разработан новый способ ЭШН (пат. РФ №2397851), реализованный по горизонтальной схеме с применением токоподводящего кристаллизатора (рис. 1). Он обеспечивает применение широкого спектра присадочных и электродных материалов (проволок, лент, композиционных стержней), позволяет качественно сформировать тонкие слои наплавленного металла и минимизировать глубину проплавления основного металла, обеспечивая возможность управлять тепловыми процессами и циркуляционными течениями в шлаковой ванне. Способ наплавки предусматривает возможность применять неплавящиеся полые графитовые электроды, через которые осуществляется подача присадочных материалов. Наведение шлаковой ванны осуществляется заливкой шлака, предварительно расплавленного электродуговым способом в специальном плавильно-разливочном устройстве.

Рисунок 2 - Наплавочная головка для ЭШН

Особенностью конструкции кристаллизатора является наличие кольцеобразного элемента, расположенного в проточке нижней (формирующей) секции. Данный элемент выполнен из диэлектрического огнеупорного материала и оказывает влияние на характер растекания тока в объеме шлаковой ванны, что позволяет переместить высокотемпературную область в шлаке, сформированную вблизи стенки верхней (токоподводящей) секции кристаллизатора, непосредственно к металлическому расплаву. Это приводит к повышению его температуры и уменьшению поверхностного натяжения на межфазных границах шлак – расплав и расплав – медь кристаллизатора, повышая качество принудительного формирования наплавленного тонкого слоя металла. Токоподводящая секция кристаллизатора с целью исключения электроэррозии ее поверхности защищена сменной графитовой футеровкой.

Кристаллизатор закреплен в наплавочной головке (рис. 2), оборудованной пружинным поджимом кристаллизатора к изделию, приводом подъема неплавящихся электродов и механизмом подачи присадочной проволоки. Наличие прижимного механизма в конструкции наплавочной головки обусловлено необходимостью предотвратить протекание шлака и жидкого металла в зазор между кристаллизатором и наплавляемым изделием при их взаимном перемещении, а также отжатие кристаллизатора при кристаллизации шлакового гарнисажа. Наплавочная головка унифицирована и может устанавливаться на различные одно- и двухэлектродные автоматы для дуговой сварки.