Napawanie utwardzające i regeneracyjne: kompletny przewodnik po normie PN-EN 14700 i doborze materiałów

Każda część maszyny pracująca pod obciążeniem mechanicznym z czasem się zużywa. Wymiana na nową to pierwsza myśl, ale często nie najtańsza. Napawanie pozwala odtworzyć zużyty element albo dać mu powierzchnię trwalszą niż fabryczna.

W napawaniu nie łączysz dwóch elementów, tylko nakładasz na istniejącą część nową warstwę o zadanych właściwościach. Dobór materiału nie może być przypadkowy, a porządkuje go norma PN-EN 14700.

W tym przewodniku znajdziesz: rodzaje napawania i zużycia, sposób czytania oznaczeń z PN-EN 14700, dobór metody i materiału oraz trzy przykłady z praktyki. Po lekturze dobierzesz materiały do napawania do konkretnej części.

Podstawy inżynierii powierzchni: czym jest napawanie?

Napawanie to nakładanie warstwy stopionego metalu, czyli napoiny, na powierzchnię przedmiotu (materiału rodzimego). Celem jest uzyskanie potrzebnych właściwości albo odtworzenie pierwotnych wymiarów.

Napawanie regeneracyjne a napawanie utwardzające: różnice

Obie techniki korzystają z podobnych procesów spawalniczych, ale służą czemu innemu.

• Napawanie regeneracyjne (buildup): odtwarza pierwotny kształt i wymiary zużytej części. Materiał dodatkowy ma zwykle właściwości zbliżone do materiału rodzimego. To wypełnienie ubytku.
• Napawanie utwardzające (hardfacing): tworzy nową warstwę wierzchnią, bardziej odporną na konkretny rodzaj zużycia niż materiał rodzimy. To pancerz nałożony na stalowy element. Dalsza część wpisu dotyczy głównie tej techniki.

Główne rodzaje zużycia mechanicznego

Materiał do napawania dobiera się do mechanizmu, który niszczy część.

• Ścieranie (abrasion): najczęstsze. Twarde cząstki, jak piasek, żwir i minerały, trą o powierzchnię. Przykłady: lemiesze pługów, zęby koparek, podajniki ślimakowe.
• Uderzenie (impact): gwałtowne, dynamiczne obciążenia. Przykłady: młotki kruszarek, szczęki, elementy pras.
• Tarcie metal o metal (adhesive wear): dwie powierzchnie metalowe trą o siebie pod naciskiem, co kończy się zatarciem i wyrwaniem materiału. Przykłady: czopy wałów, koła zębate, powierzchnie ślizgowe.
• Korozja: reakcja chemiczna lub elektrochemiczna z otoczeniem. Przykłady: elementy w przemyśle chemicznym i spożywczym.
• Erozja: przepływ cieczy lub gazów, często z cząstkami stałymi. Przykłady: łopatki turbin, wirniki pomp, rurociągi.

Norma PN-EN 14700: „DNA” materiałów do napawania

Norma pozwala porównać produkty różnych producentów według składu chemicznego, a więc także według właściwości użytkowych napoiny.

Jak czytać oznaczenia?

Oznaczenie materiału to krótki kod. Przykład dla drutu proszkowego: T Fe8.

• Pierwsza litera (symbol procesu):
  • E: elektroda otulona (metoda MMA)
  • T: drut proszkowy (metoda FCAW, MIG/MAG)
  • S: drut lity (metoda GMAW, MIG/MAG)
  • R: pręt (metoda GTAW, TIG albo spawanie gazowe)
  • B: taśma (spawanie łukiem krytym)
• Symbol składu chemicznego:
  • Fe: stop na osnowie żelaza
  • Ni: stop na osnowie niklu
  • Co: stop na osnowie kobaltu
  • Cu: stop na osnowie miedzi
  • Al: stop na osnowie aluminium
• Liczba (symbol grupy stopowej): określa właściwości i typowe zastosowanie napoiny. Najczęściej używane grupy stopów na osnowie żelaza:
  • Fe1: stop niskostopowy o twardości 250 do 350 HV. Do regeneracji i warstw buforowych. Daje się obrabiać mechanicznie.
  • Fe2: stop niskostopowy o twardości 350 do 550 HV. Odporny na tarcie metal o metal i umiarkowane uderzenia. Zastosowanie: wały, rolki, koła jezdne.
  • Fe3: austenityczny stop manganowy (14% Mn), tak zwana stal Hadfielda. Po napawaniu stosunkowo miękki, ale utwardza się pod wpływem uderzeń do ponad 500 HV. Na bardzo duże obciążenia udarowe, na przykład młotki kruszarek.
  • Fe8: stop wysokochromowy z bardzo twardymi węglikami chromu w strukturze. Bardzo odporny na ścieranie, twardość powyżej 55 HRC. Zastosowanie: lemiesze, zęby koparek, podajniki ślimakowe.
  • Fe15: stop na osnowie żelaza z dużą zawartością węglików wolframu w osnowie martenzytycznej. Daje największą odporność na ścieranie, ale jest wrażliwy na uderzenia.

Twardość to nie wszystko: twardość a odporność na uderzenia

Zasada, o której trzeba pamiętać przy każdym doborze: im twardszy materiał, tym zwykle bardziej kruchy i mniej odporny na uderzenia.

Szkło jest bardzo twarde, a pęka od jednego uderzenia młotkiem. Guma jest miękka, a uderzenie amortyzuje. Z napoinami jest podobnie. Materiały z grupy Fe15 są bardzo twarde, ale silne uderzenie może je wykruszyć. Stal manganowa (Fe3) jest plastyczna, przyjmuje uderzenia i przy tym się umacnia.

Dobór to zawsze kompromis między twardością a udarnością.

Dobór technologii i materiałów w praktyce

Wybór metody spawania

• MMA (elektroda otulona): najbardziej uniwersalna. Do prac w terenie, napraw w trudnych pozycjach i grubych warstw. Zobacz elektrody otulone.
• MIG/MAG (drut proszkowy albo lity): dużo wyższa wydajność niż MMA, do dużych powierzchni i automatyzacji. Druty proszkowe występują w wielu składach stopowych, a materiały do napawania znajdziesz w dziale druty i elektrody napawające UTP.
• TIG: najwyższa jakość i precyzja, ale wolne tempo. Do małych, dokładnych elementów, na przykład krawędzi form wtryskowych.

Jak programy spawarek ułatwiają napawanie?

Nowoczesne źródła prądu mają wbudowane programy do napawania. Böhler Welding w spawarkach z linii URANOS stosuje procesy i krzywe synergiczne przeznaczone do tej pracy, często opisywane słowem „cladding”. Różnią się od standardowego programu MIG/MAG czterema rzeczami.

1. Kontrola energii liniowej (heat input): największa trudność w napawaniu to trwałe połączenie przy jak najmniejszym wymieszaniu napoiny z materiałem rodzimym (dylucja). Procesy cladding dają „miękki”, stabilny łuk o niskiej energii i płytkie przetopienie podłoża. Dzięki temu droga napoina ma swoją twardość i odporność na korozję już od pierwszego ściegu.
2. Krzywe synergiczne „Böhler Arc”: urządzenia mają setki linii synergicznych dopasowanych do procesu, materiału dodatkowego i parametrów. Po wybraniu drutu proszkowego lub litego Böhler Welding spawarka sama dobiera napięcie i dynamikę łuku. Proces jest stabilny, z małym rozpryskiem, a ty nie tracisz czasu na długie próby.
3. Procesy impulsowe (np. CladPulse™): modele takie jak URANOS NX mają proces CladPulse™, opracowany pod napawanie z niską dylucją. Sterowanie ponad 30 parametrami fali prądu daje miękki łuk o niskim ciśnieniu, czyli wysoką wydajność napawania przy niskiej energii liniowej.
4. Powtarzalność: firmy pracujące według instrukcji technologicznej (WPS) korzystają z gotowych programów. Operator wybiera program do zadania, a maszyna trzyma te same parametry za każdym razem. To ułatwia spełnienie wymagań norm, w tym PN-EN 14700.

Spawarki Böhler Welding z programami do napawania znajdziesz w naszym drugim sklepie: nowespawarki.pl.

Trzy przykłady: jaki materiał do jakiego zastosowania?

• Przykład 1: lemiesz pługa
  • Problem: bardzo silne ścieranie w glebie (piasek, kamienie), małe obciążenia udarowe.
  • Rozwiązanie: napoina o najwyższej odporności na ścieranie, czyli materiał z grupy Fe8, a dla najdłuższej żywotności Fe15.
• Przykład 2: młotek w kruszarce do kamienia
  • Problem: ciągłe, bardzo silne obciążenia udarowe. Ścieranie ma mniejsze znaczenie.
  • Rozwiązanie: materiał plastyczny, który umacnia się pod wpływem zgniotu, czyli stal manganowa z grupy Fe3.
• Przykład 3: czop wału pracujący w panewce
  • Problem: tarcie metal o metal, ryzyko zatarcia.
  • Rozwiązanie: napoina odporna na tarcie, którą można obrobić mechanicznie na gładko, czyli materiał z grupy Fe2.

Technologia napawania: trzy rzeczy, których nie wolno pominąć

• Warstwy buforowe: bardzo twardej warstwy nie nakłada się bezpośrednio na miękki materiał rodzimy, bo pęka i odspaja się. Najpierw idzie elastyczna warstwa buforowa, najczęściej z grupy Fe1, która przejmuje naprężenia.
• Podgrzewanie wstępne: wiele części maszyn jest ze stali o podwyższonej zawartości węgla albo ze stali stopowych. Napawane na zimno prawie na pewno pękną. Podgrzanie spowalnia stygnięcie, zmniejsza naprężenia i zapobiega powstawaniu kruchych struktur.
• Temperatura międzyściegowa: za wysoka temperatura między ściegami psuje właściwości napoiny. Kontroluj ją i daj elementowi ostygnąć.

Co zapamiętać

Napawanie utwardzające i regeneracyjne wielokrotnie wydłuża życie części, jeśli materiał pasuje do mechanizmu zużycia. Najpierw ustal, co niszczy element: ścieranie, uderzenia czy tarcie. Potem odczytaj oznaczenie według PN-EN 14700 i dobierz grupę stopową. Masz wątpliwość, jaki materiał wybrać do swojej części? Napisz na kontakt@spawlab.pl i opisz, w jakich warunkach pracuje.