201109_PSpaw.pdf 5Przegląd sPawalnictwa 9/2011 Tomasz Szulc Początki napawania utwardzającego early years of hard-facing Dr inż. Tomasz Szulc – Politechnika Wrocławska. Streszczenie Zaprezentowano pierwsze próby napawania, prowa- dzone w czasach opanowywania technologii spawalni- czych, pierwsze technologie napawania, które zostały zastosowane w praktyce. Przedstawiono pierwsze apli- kacje napawania oraz ówczesne zalecenia, dotyczące przygotowania procesu. Zasygnalizowano ewolucję poglądów na temat moż- liwych do uzyskania właściwości warstw oraz sposobów wytwarzania materiałów dodatkowych w postaci prętów, drutów i proszków. Przedstawiono także początki bar- dziej współczesnych technologii napawania: łukiem kry- tym, plazmowego i in. Abstract First attempts of surfacing, conducted in early years of welding, early surfacing technologies which have fo- und practical use were presented. Early guidelines and applications of surfacing and hard-facing were described. Evolution of opinions concerning properties of layers and methods of production of consumables in form of rods, powders and wires was highlighted. Roots of most popular technologies were briefly described, including: submerged arc, plasma etc. Wstęp Dziewięćdziesiąt lat temu w USA powstała firma braci Stoody, którą powszechnie uważa się za świato- wego prekursora utwardzającego napawania regene- racyjnego i uszlachetniającego (ang. hard-facing). Hi- storia napawania jest w rzeczywistości nieco dłuższa i liczy sobie 130 lat, czyli tyle samo, ile klasyczne spa- wanie. Napawanie traktowano początkowo jako odmianę spawania – stosowano te same technologie i materia- ły dodatkowe [1]. Zamiast jednak nadtapiać krawędzie elementów i wypełniać szczelinę między nimi stopio- nym materiałem dodatkowym, nanoszono go na nad- topioną powierzchnię materiału rodzimego. Wzmianki o wczesnym używaniu napawania do celów regene- racyjnych, np. do odtwarzania geometrii przedmiotów, których krawędzie uległy wyszczerbieniu, nie zawierają szczegółowych informacji na temat stosowanych mate- riałów i ewentualnych odmienności technologii. Prekursorzy napawania Prekursor spawania łukowego Nikołaj N. Benardos (rys. 1) w swych pierwszych patentach, dotyczących „Metody obróbki metalu za pomocą bezpośred- nio użytego prądu elektrycznego”, wydanych w Ro- sji (1885) i innych krajach, wspomina o użyciu ma- teriału dodatkowego o tym samym składzie che- micznym co materiał rodzimy do naprawy odlewów i odtwarzania geometrii zużytych części maszyn (rys. 2) [2, 3]. Podobno napawanie Benardos demon- strował podczas swych wyjazdów do Europy Zachod- niej, np. w paryskim laboratorium Electricien Kabatha, już w 1881 r. Z perspektywy czasu należy przyjąć, że utwardzone wskutek silnego nawęglenia stopiwo, powstające w metodzie Benardosa, lepiej nadawało się do napawania niż spawania. Rys. 1. Nikołaj Benardos [12] Fig. 1. Nikolai Benardos [12] 6 Przegląd sPawalnictwa 9/2011 rodzimego. Napawanie remontowe kół zębatych pozo- stało na wiele lat jedną z najchętniej stosowanych apli- kacji tej technologii [5]. Rozwój metod napawania Napawanie praktykowano także w celu określenia parametrów spawania, próbowano na tej podstawie szacować szerokość lica i głębokość wtopienia moż- liwe do uzyskania podczas spawania. Metodę tę sto- sował m.in. Oscar Kjellberg, doskonaląc spawanie łu- kowe, co doprowadziło do opatentowania przez niego w 1908 r. elektrod otulonych [6]. Pierwszy wniosek patentowy dotyczący możliwości napawania utwardzającego złożył w 1896 r. J. Spen- cer z Phoenix Iron Works Glasgow, ale prawdopodob- nie nie zrealizował w praktyce swego pomysłu [7]. Dla- tego za pierwsze praktyczne zastosowanie napawania utwardzającego uznawana jest działalność Ameryka- nów, braci Winstona i Shelleya Stoody (rys. 4), którzy w 1921 r. założyli w Whittier w Kalifornii zakład Stoody Welding Co. i zajęli się naprawą urządzeń rolniczych oraz traktorów. W tym samym roku w okolicy odkryto złoża ropy naftowej i bracia przerzucili się na naprawy sprzętu wiertniczego. Szybko zauważyli, że najszybciej zużywające się części to tzw. koronki wierteł. Nie za- chowały się informacje, jaką drogą błyskawicznie do- szli do koncepcji zastosowania napawania utwardzają- cego do regeneracji, a potem produkcji wierteł (rys. 5). Opracowali materiał dodatkowy w postaci stalowych rurek wypełnionych proszkiem Cr3C2 i zwanych Stoody Rod (pręt Stoody’ego). Topili go najpierw w płomieniu Inny rosyjski spawalnik – Nikołaj Sławianow, pracu- jący jako inżynier w fabryce broni w Permie (obecnie fabryka Motowilichinskije Zawody) stosował napawa- nie łukowe do naprawy wadliwych odlewów. W 1890 r. opatentował udoskonaloną metodę Benardosa, w której zamiast grafitowej elektrody stosował jako prze- wodnik pręt wykonany z metalowego materiału dodat- kowego, który nazwał elektrodę, wzorując się na Fa- radayu. W ciągu trzech lat w fabryce wykonano ponad 1600 takich napraw odlewów; podobno w większości przypadków wykonywał je osobiście Sławianow. Zale- cał przy tym wstępne podgrzewanie odlewów [4]. Póź- niej skonstruował prototyp głowicy z automatyczną re- gulacją długości łuku, a w 1896 r. – automat do na- pawania powierzchni roboczych kół zębatych (rys. 3). We wszystkich opisanych przypadkach stosowano na- poiny o składzie chemicznym zbliżonym do materiału Rys. 3. Koło zębate po napraw- czym napawaniu wyłamanych zębów [5] Fig. 3. The gear after repair cladding of broken tooth [5] Rys. 4. Bracia Winston i Shelley Stoody [8] Fig. 4. Winston and Shelley Stoody brothers [8] Rys. 2. N. Benardos podczas naprawy pękniętego kotła [3] Fig. 2. N. Benardos during the repair of broken boiler [3] 7Przegląd sPawalnictwa 9/2011 acetylenowo-tlenowym, a później za pomocą ciepła łuku elektrycznego [8]. Co ciekawe, pierwsze elektro- dy z rdzeniem proszkowym opatentował F. Leitner, kie- rownik stalowni braci Böhler, dopiero w 1925 r. Tymczasem inna technologia napawania utwardza- jącego zastała jeszcze wcześniej, bo w 1868 r. Wtedy to w kopalni zstała zapoczątkowana miasteczku Delo- ro (prowincja Ontario) należącej do M.J. O’Briena od- kryto wysokogatunkowe pokłady kobaltu. W 1907 r. w Kokomo (Indiana, USA) Elwood Haynes (rys. 6) opa- tentował twarde stopy na bazie kobaltu, które nazwał stellitami (gra słów: stellite wymawia się tak samo jak stellar light – gwiezdny blask). Sprzedaż stellitów, ro- snąca skokowo w czasie I wojny światowej, uczyniła go w 1916 r. milionerem. Odlewane pałeczki stellito- we zaczęto nieco później stosować do płomieniowe- go napawania utwardzającego, ale popularność me- toda zyskała dopiero wówczas, gdy O’Brien i Hay- nes połączyli w 1917 r. siły, zakładając Deloro Smel- ting and Refining Ltd (obecnie Deloro Stellite) i otwie- rając rok później pierwszą filię w Europie – w brytyj- skim Birmingham [9]. Pierwsze napawanie zaworów silnika spalinowego prętami stellitowymi przeprowadził w 1922 r. Haynes w swojej fabryce samochodów oso- bowych w Kokomo [7]. W Europie pierwsze napawanie elementów zaworów miało miejsce w niemieckiej fabry- ce KSB w 1921 r. (zgodnie z patentem wydanym firmie w Belgii i dotyczącym napawania stali austenitycznej na wyroby ze stali węglowej). Ta sama firma jako pierw- sza na Starym Kontynencie zaczęła napawać elemen- ty zaworów stellitami w 1928 r. [10]. Bracia Stoody opracowali tymczasem pręty la- ne Stoodite (podobieństwo nazw Stoodite i Stelli- te nie jest przypadkowe), a później opracowa- li w swym laboratorium pierwszy materiał do napa- wania utwardzającego zawierający węglik wolfra- mu. Ich niewielka firma rekordowo długo zachowa- ła samodzielność, dopiero w 1988 r. została wykupio- na przez Thermadyne Industries, ale zachowała swą nazwę i jako Stoody Division funkcjonuje w Bowling Creek w Kentucky (USA). W latach dwudziestych XX w. i jeszcze wiele lat póź- niej wszelkie zastosowania napawania miały charak- ter eksperymentalny i nie były poparte rozważaniami Rys. 5. Napawane utwardzająco koronki wierteł górniczych [5] Fig. 5. Hard faced mining core cutters [5] Rys. 6. Elwood Haynes [9] Fig. 6. Elwood Haynes [9] o charakterze metalurgicznym. Brak świadomości nierównowagowego przebiegu procesu prowadził do trudności prognozowania naprężeń i odkształceń w materiale. Także ostateczny skład warstwy napawa- nej był zwykle określany post factum – empirycznie. Takim właśnie sposobem wypracowano zalecenia, do- tyczące prowadzenia procesu. Wskazywano na ryzyko pęknięć warstwy napawanej, rosnące wraz z jej grubo- ścią, czemu przeciwdziałać miało zastępowanie jednej warstwy dużej grubości kilkoma cieńszymi. W ten sam sposób ograniczano współczynnik wymieszania, czy- li zawartość składników podłoża w warstwie. Wstępne podgrzewanie podłoża, zalecane w przypadku napraw odlewów, nie było powszechnie stosowane w napawa- niu elementów kutych i walcowanych. W Europie tymczasem rozwijały się technologie na- pawania łukowego, które stosunkowo długo traktowa- no jako odmianę spawania. I tak w 1929 r. D. Dulczew- ski uzyskał w b. ZSRR patent na spawanie łukiem kry- tym, które okazało się bardzo wydajną metodą łukowe- go stapiania materiału dodatkowego, nadająca się do napawania. Licencję na analogiczną metodę zyskała 7 lat później w USA firma Linde, a za amerykańskich prekursorów napawania pod topnikiem uznaje się bra- ci Stoody. Eksperymentowano także z napawaniem za pomo- cą leżącej elektrody grafitowej w postaci długiej płyt- ki. Na materiał rodzimy sypano warstwę prażonego bo- raksu, potem warstwę proszku metalicznego pełniące- go funkcję materiału dodatkowego o grubości 3÷5 mm i szerokości 40÷60 mm, na niej układano elektrodę nie- co dłuższą niż warstwa proszków. Podłączano ją do dodatniego bieguna źródła zasilania i zajarzano łuk. Odmianą tej metody było napawanie leżącą płytko- wą elektrodą metalową. W tym przypadku płytka sta- lowa była układana na warstwie topnika pokrywają- cej materiał rodzimy. W razie potrzeby na płytkę sy- pano warstwę proszku stopowego, potem kolejną war- stwę granulowanego topnika i całość dociskano pły- tą miedzianą. Uzyskiwane napoiny miały grubość do 3 mm [1]. Później rozpoczęto eksperymenty z napa- waniem leżącą elektrodą otuloną. Zapoczątkowało je opatentowanie w 1917 r. w USA metody Firecrac- ker, znanej później jako spawanie elektrodą leżącą. 8 Przegląd sPawalnictwa 9/2011 Baildon produkowała całą gamę elektrod, nadających się do spawania i napawania, w tym elektrody ze stali wysokomanganowej (Hadfielda) Le Chatelier N.4 zale- cane do napawania utwardzającego. Napawanie elektrodami otulonymi było m.in. stoso- wane do remontów wozów bojowych w czasie II wojny światowej [14]. Były to prace prowadzone na ogrom- ną skalę – obliczono, że np. na froncie wschodnim przy sprzyjających warunkach (gdy uszkodzone i nie- sprawne wozy nie pozostawały za liniami przeciwni- ka) przeciętny czołg był remontowany czterokrotnie, a tylko w ZSRR wyprodukowano ich w latach woj- ny ponad 100 tys. Napawanie z powodu swej czaso- chłonności nie było jednak w tym przypadku techno- logią dominującą – najczęściej stosowano spawanie, włącznie ze wstawianiem stalowych łat w celu napra- wy konstrukcji staliwnych i żeliwnych. Po wojnie napawanie wieloelektrodowe najczęściej stosowano w celu zwiększenia wydajności napawania łukiem krytym – liczba doprowadzanych równocześnie elektrod wynosiła czasem nawet 24 [15]. Informacje o wieloelektrodowym napawaniu pod topnikiem zaczę- ły pojawiać się w literaturze fachowej na samym po- czątku lat 50. ub. stulecia [16]. W tym czasie, a i póź- niej napawanie traktowano głównie jako grupę tech- nologii regeneracyjnych, a nie uszlachetniających po- wierzchnie nowych części i elementów. Na przykład w b. ZSRR należącym do czołówki państw, stosują- cych napawanie, jeszcze w połowie lat 70. ub.w. po- nad 70% zastosowań napawania dotyczyło prac rege- neracyjno-remontowych [17]. Do napawania produkowano specjalne elektrody o pro- stokątnym przekroju. Niektóre źródła np. [7] podają, że za pomocą takiej elektrody w 1939 r. inżynierowie Mi- chajłow i Łarionow zrealizowali po raz pierwszy w prak- tyce proces napawania zautomatyzowanego, co jed- nak budzi wątpliwości dwojakiego rodzaju: po pierwsze znacznie wcześniej zostało opatentowane urządzenie Sławianowa, a od połowy lat 30. ub. w. praktykowano napawanie pod topnikiem, będące z definicji procesem zautomatyzowanym. Na dużą skalę praktykowano napawanie elektro- dami otulonymi Kjellberga i rdzeniowymi Leitnera, a także elektrodami, których otulinę stanowił owinię- ty wokół rdzenia sznur azbestowy nasycony związ- kami chemicznymi. Dla zwiększenia wydajności na- pawania proponowano stosowanie pakietów lub wią- zek elektrod [11]. Co ciekawe, Benardos jeszcze w 1893 r. proponował stosowanie wiązki elektrod gra- fitowych w celu zwiększenia powierzchni jeziorka spa- walniczego [12]. W II Rzeczpospolitej elektrody do napawania pro- dukowała Huta Baildon, a palniki do napawania pło- mieniowego – zakłady Perun. Podobnie jak w innych krajach europejskich, jednym z głównych użytkowni- ków elementów napawanych były koleje państwowe. W 1935 r. szacowano, że z użyciem krajowych urzą- dzeń poddano regeneracji co najmniej trzy tysiące roz- jazdów, zwrotnic i krzyżownic torowych [13]. Typowy zestaw oferowany w tym celu przez Peruna składał się z tzw. acetylenowego palnika drogowego wysokiego ci- śnienia (rys. 7) i drutu do napawania Tor (rys. 8). Huta Rys. 7. Reklama polskiego palnika do napawania z 1935 r. [13] Fig. 7. Advertisement of Polish hard-facing burner from 1935 [13] Rys. 8. Reklama polskiego materiału dodatkowego do napawania z 1935 r. [13] Fig. 8. Advertisement of Polish filler for hard-facing 1935 [13] 9Przegląd sPawalnictwa 9/2011 Najwydajniejszą technologię napawania – napa- wanie elektrożużlowe – zaczęto stosować w Instytu- cie Spawania Elektrycznego E.O. Patona w Kijowie w 1951 r. Już pierwsze próby napawania elementów konstrukcji wielkich pieców obniżyły całkowity koszt ich remontu o 15%. W przypadku konstrukcji grubościen- nych, gdzie napawanie można było stosować na więk- szą skalę (np. młyny), efekty ekonomiczne były jeszcze bardziej znaczące [18]. W 1957 r. rozpoczęła się epoka technologii pla- zmowych – uruchomiono wtedy pierwszą maszynę do cięcia plazmowego, tzw. plazmotron. Pięć lat póź- niej ruszyła produkcja urządzeń do plazmowego spa- wania, a nieco później – napawania i natryskiwania. Pierwsze urządzenie generujące łuk plazmowy opra- cował inż. Schönner z firmy BASF jeszcze w 1908 r., ale jego praktyczne zastosowania były opanowywa- ne powoli. Początkowo, w celu uzyskania napoin za pomocą strumienia gazu plazmowego topiono mate- riał dodatkowy w postaci drutu lub pręta, później za- częto stosować materiał w postaci proszku, transpor- towany przez strumień gazu. Pierwsze firmy, specja- lizujące się w napawaniu i natryskiwaniu plazmowym, zaczęły pojawiać się w USA pod koniec lat 60. ub.w. Podsumowanie Napawanie regeneracyjne, naprawcze i uszlachet- niające jest obecnie uznaną i powszechnie stosowa- ną grupą technologii spawalniczych. W praktyce sto- suje się niemal wszystkie z opracowanych na prze- strzeni stu lat technologii, systematycznie powsta- ją też nowe metody napawania. Znaczący postęp jest notowany w dziedzinie materiałów dodatkowych Literatura [1] Pilarczyk J., Pilarczyk J.: Spawanie i napawanie elektryczne metali. Wyd. Śląsk, Katowice 1996. [2] Kaiserliches Patentamt; Patentschrift Nr 38011, Verfahren der Metallbearbeitung mittels direkt angewendeten elektri- schen Stromes. Klasse 48 – chemische Metallbearbeitung. Berlin, 31. Oktober 1885. [3] Bernsdorf G.: Auf heissem Spuren vom Schmieden, Löten and Schweissen. VEB Fachbuchverlag, Leipzig 1986. [4] Istoria Motovilikhinskich Zavodov, Perm 2008. [5] Wassermann R.: Wie sparrt man Millionen durch Abbau der Ersatzteillager. Castolin Eutectic Institut, St. Sulpice/Lausan- ne 1971. [6] Kaiserliches Patentamt; Patentschrift 231733. Klasse 21h, Gruppe 12, Elektrode und Verfahren zum elektrischen Löten. Berlin, 27. Juni 1908. [7] Hasui A., Morigaki O.: Naplavka i napylenie. Masinostrojenie, Moskva 1985. [8] Materiały informacyjne firmy Thermadyne Industries Inc. [9] Materiały informacyjne firmy Deloro Stellite. [10] Prospekt firmy KSB Aktiengesellschaft. do napawania. Na przestrzeni ostatnich dziesięciole- ci największe zmiany nastąpiły w dziedzinie sterowa- nia i kontroli procesu napawania, a zaawansowane metody badawcze i symulacyjne umożliwiły precyzyj- ne prognozowanie właściwości nanoszonych warstw. U podstaw tych ultranowoczesnych procesów leżą jednak niezmiennie pionierskie osiągnięcia minionych dziesięcioleci. [11] Szustakowski J.: Poradnik spawacza elektrycznego. WNT, Warszawa 1981. [12] Benardos N.N.: Naucno-tekhniceskije izobretienia i projekty. Naukova Dumka, Kiev 1982. [13] Perun. Kalendarz Spawalniczy na rok 1935. Warszawa 1935. [14] Friedli L.: Die Panzer Instandesetzung der Wehrmacht. Schneider Armour Research 2010. [15] Dziubiński J., Klimpel A.: Napawanie i natryskiwanie cieplne. WNT, Warszawa 1985. [16] Emelianov N.: Mnogoelektrodnaja elektrodugovaja i elektro- slakovaja naplavka pod flusom. Transzeldorogizd, Moskva 1962. [17] Lejnacuk J.: Avtomaticna naplavka pid flusom pri remontnych rabotach. Derztechvidav. URSR, Kiiv 1959. [18] Paton B.E.: Elektroslag Welding and Hardfacing. Mir, Moskva 1983. [19] Szczeciński Z.: Kronika Instytutu Spawalnictwa z lat 1945- 1996. Gliwice 1997. [20] Ghanamuthu D.: Laser surface treatment. w: Optical Engine- ering SPIE. Vol.19, nr. 5/1980, Bellingham USA. W Polsce pierwszą firmą, która rozpoczęła produk- cję plazmotronów do nanoszenia warstw, był Insty- tut Badań Jądrowych w Świerku. Pierwsze urządze- nia, np. PN-110 i PN-200 zaczęto tam opracowywać już w połowie lat 50. ub.w., a prototyp plazmotronu do zautomatyzowanego napawania NP1-250 skon- struowano w Instytucie Spawalnictwa w Gliwicach w 1973 r. [19]. Najnowszą technologią napawania, stosowaną na szerszą skalę, jest napawanie laserowe. Po raz pierw- szy zastosowano je pod kierunkiem D. Ghanamuthu w laboratorium firmy Rockwell International Corp. w Thousand Oaks w Kalifornii pod koniec lat 70. ub.w. [20]. Ponieważ prowadzono tam prace nad sprzę- tem wojskowym, podano jedynie, że napawanie la- serowe zostało zastosowane do „nanoszenia niepo- rowatych powłok ceramicznych na podłoże metalo- we”. Początkowo stosowano podobno jedynie prze- tapianie warstw natryskiwanych termicznie (byłaby to więc jedna z pierwszych spawalniczych technolo- gii hybrydowych), później materiał dodatkowy w po- staci proszku lub drutu zaczęto doprowadzać bez- pośrednio do strefy cieplnego oddziaływania wiązki laserowej.